SEARCH FOR COSMIC-RAY-INDUCED GAMMA-RAY EMISSION IN GALAXY CLUSTERS

被引:125
作者
Ackermann, M. [1 ]
Ajello, M. [2 ]
Albert, A. [3 ]
Allafort, A. [4 ,5 ]
Atwood, W. B. [6 ,7 ]
Baldini, L. [8 ,9 ]
Ballet, J. [10 ]
Barbiellini, G. [11 ,12 ]
Bastieri, D. [13 ,14 ]
Bechtol, K. [4 ,5 ]
Bellazzini, R. [9 ]
Bloom, E. D. [4 ,5 ]
Bonamente, E. [15 ,16 ]
Bottacini, E. [4 ,5 ]
Brandt, T. J. [17 ]
Bregeon, J. [9 ]
Brigida, M. [18 ,19 ,20 ]
Bruel, P. [21 ]
Buehler, R. [1 ]
Buson, S. [13 ,14 ]
Caliandro, G. A. [22 ]
Cameron, R. A. [4 ,5 ]
Caraveo, P. A. [23 ]
Cavazzuti, E. [24 ]
Chaves, R. C. G. [10 ]
Chiang, J. [4 ,5 ]
Chiaro, G. [14 ]
Ciprini, S. [24 ,25 ]
Claus, R. [4 ,5 ]
Cohen-Tanugi, J. [26 ]
Conrad, J. [27 ,28 ,29 ]
D'Ammando, F. [30 ]
de Angelis, A. [31 ,32 ]
de Palma, F. [18 ,19 ,20 ]
Dermer, C. D. [33 ]
Digel, S. W. [4 ,5 ]
Drell, P. S. [4 ,5 ]
Drlica-Wagner, A. [4 ,5 ]
Favuzzi, C. [18 ,19 ,20 ]
Franckowiak, A. [4 ,5 ]
Funk, S. [4 ,5 ]
Fusco, P. [18 ,19 ,20 ]
Gargano, F. [20 ]
Gasparrini, D. [24 ,25 ]
Germani, S. [15 ,16 ]
Giglietto, N. [18 ,19 ,20 ]
Giordano, F. [18 ,19 ,20 ]
Giroletti, M. [30 ]
Godfrey, G. [4 ,5 ]
Gomez-Vargas, G. A. [34 ,35 ,36 ]
机构
[1] DESY, D-15738 Zeuthen, Germany
[2] Univ Calif Berkeley, Space Sci Lab, Berkeley, CA 94720 USA
[3] Ohio State Univ, Ctr Cosmol & Astroparticle Phys, Dept Phys, Columbus, OH 43210 USA
[4] Stanford Univ, Kavli Inst Particle Astrophys & Cosmol, WW Hansen Expt Phys Lab, Dept Phys, Stanford, CA 94305 USA
[5] Stanford Univ, SLAC Natl Accelerator Lab, Stanford, CA 94305 USA
[6] Univ Calif Santa Cruz, Dept Phys, Santa Cruz Inst Particle Phys, Santa Cruz, CA 95064 USA
[7] Univ Calif Santa Cruz, Dept Astron & Astrophys, Santa Cruz, CA 95064 USA
[8] Univ Pisa, I-56127 Pisa, Italy
[9] Ist Nazl Fis Nucl, Sez Pisa, I-56127 Pisa, Italy
[10] CEA IRFU CNRS Univ Paris Diderot, CEA Saclay, Lab AIM, Serv Astrophys, F-91191 Gif Sur Yvette, France
[11] Ist Nazl Fis Nucl, Sez Trieste, I-34127 Trieste, Italy
[12] Univ Trieste, Dipartimento Fis, I-34127 Trieste, Italy
[13] Ist Nazl Fis Nucl, Sez Padova, I-35131 Padua, Italy
[14] Univ Padua, Dipartimento Fis & Astron G Galilei, I-35131 Padua, Italy
[15] Ist Nazl Fis Nucl, Sez Perugia, I-06123 Perugia, Italy
[16] Univ Perugia, Dipartimento Fis, I-06123 Perugia, Italy
[17] NASA, Goddard Space Flight Ctr, Greenbelt, MD 20771 USA
[18] Univ Bari, Dipartimento Fis M Merlin, I-70126 Bari, Italy
[19] Politecn Bari, I-70126 Bari, Italy
[20] Ist Nazl Fis Nucl, Sez Bari, I-70126 Bari, Italy
[21] Ecole Polytech, CNRS, IN2P3, Lab Leprince Ringuet, F-91128 Palaiseau, France
[22] Inst Ciencies Espai IEEE CSIC, E-08193 Barcelona, Spain
[23] INAF Ist Astrofis Spaziale & Fis Cosm, I-20133 Milan, Italy
[24] Agenzia Spaziale Italiana ASI Sci Data Ctr, I-00044 Rome, Italy
[25] Osserv Astron Roma, Ist Nazl Astrofis, I-00044 Rome, Italy
[26] Univ Montpellier 2, CNRS, IN2P3, Lab Univers & Particules Montpellier, F-34095 Montpellier, France
[27] Stockholm Univ, Dept Phys, AlbaNova, SE-10691 Stockholm, Sweden
[28] AlbaNova, Oskar Klein Ctr Cosmoparticle Phys, SE-10691 Stockholm, Sweden
[29] Royal Swedish Acad Sci, SE-10405 Stockholm, Sweden
[30] INAF Ist Radioastron, I-40129 Bologna, Italy
[31] Univ Udine, Dipartimento Fis, I-33100 Udine, Italy
[32] Ist Nazl Fis Nucl, Sez Trieste, Grp Collegato Udine, I-33100 Udine, Italy
[33] Naval Res Lab, Div Space Sci, Washington, DC 20375 USA
[34] Ist Nazl Fis Nucl, Sez Roma Tor Vergata, I-00133 Rome, Italy
[35] Univ Autonoma Madrid, Dept Fis Teor, E-28049 Madrid, Spain
[36] Univ Autonoma Madrid, CSIC, Inst Fis Teor IFT UAM, E-28049 Madrid, Spain
[37] Univ Libre Bruxelles, Serv Phys Theor, B-1050 Brussels, Belgium
[38] Univ Tokyo, Inst Cosm Ray Res, Kashiwa, Chiba 2778582, Japan
[39] Univ Iceland, Inst Sci, IS-107 Reykjavik, Iceland
[40] Waseda Univ, Res Inst Sci & Engn, Shinjuku Ku, Tokyo 1698555, Japan
[41] CNRS, IRAP, F-31028 Toulouse 4, France
[42] Univ Toulouse, UPS OMP, IRAP, GAHEC, F-91191 Toulouse, France
[43] Stockholm Univ, Dept Astron, SE-10691 Stockholm, Sweden
[44] Ist Nazl Fis Nucl, Sez Torino, I-10125 Turin, Italy
[45] Univ Maryland, Dept Phys, College Pk, MD 20742 USA
[46] Univ Maryland, Dept Astron, College Pk, MD 20742 USA
[47] Hiroshima Univ, Hiroshima Astrophys Sci Ctr, Higashihiroshima, Hiroshima 7398526, Japan
[48] Univ Denver, Dept Phys & Astron, Denver, CO 80208 USA
[49] Univ Johannesburg, Dept Phys, ZA-2006 Auckland Pk, South Africa
[50] Leopold Franzens Univ Innsbruck, Inst Astro & Teilchenphys, A-6020 Innsbruck, Austria
关键词
galaxies: clusters: intracluster medium; gamma rays: galaxies: clusters; LARGE-AREA TELESCOPE; DIFFUSIVE SHOCK ACCELERATION; X-RAY; RADIO HALOS; MAGNETIC-FIELDS; HADRONIC MODELS; ALFVENIC REACCELERATION; RELATIVISTIC-PARTICLES; CONFIDENCE-INTERVALS; COSMOLOGICAL SHOCKS;
D O I
10.1088/0004-637X/787/1/18
中图分类号
P1 [天文学];
学科分类号
0704 ;
摘要
Current theories predict relativistic hadronic particle populations in clusters of galaxies in addition to the already observed relativistic leptons. In these scenarios hadronic interactions give rise to neutral pions which decay into gamma rays that are potentially observable with the Large Area Telescope (LAT) on board the Fermi space telescope. We present a joint likelihood analysis searching for spatially extended gamma-ray emission at the locations of 50 galaxy clusters in four years of Fermi-LAT data under the assumption of the universal cosmic-ray (CR) model proposed by Pinzke & Pfrommer. We find an excess at a significance of 2.7 sigma, which upon closer inspection, however, is correlated to individual excess emission toward three galaxy clusters: A400, A1367, and A3112. We discuss these cases in detail and conservatively attribute the emission to unmodeled background systems (for example, radio galaxies within the clusters). Through the combined analysis of 50 clusters, we exclude hadronic injection efficiencies in simple hadronic models above 21% and establish limits on the CR to thermal pressure ratio within the virial radius, R-200, to be below 1.25%-1.4% depending on the morphological classification. In addition, we derive new limits on the gamma-ray flux from individual clusters in our sample.
引用
收藏
页数:26
相关论文
共 126 条
[1]   FERMI DISCOVERY OF GAMMA-RAY EMISSION FROM NGC 1275 [J].
Abdo, A. A. ;
Ackermann, M. ;
Ajello, M. ;
Asano, K. ;
Baldini, L. ;
Ballet, J. ;
Barbiellini, G. ;
Bastieri, D. ;
Baughman, B. M. ;
Bechtol, K. ;
Bellazzini, R. ;
Blandford, R. D. ;
Bloom, E. D. ;
Bonamente, E. ;
Borgland, A. W. ;
Bregeon, J. ;
Brez, A. ;
Brigida, M. ;
Bruel, P. ;
Burnett, T. H. ;
Caliandro, G. A. ;
Cameron, R. A. ;
Caraveo, A. ;
Casandjian, J. M. ;
Cavazzuti, E. ;
Cecchi, C. ;
Celotti, A. ;
Chekhtman, A. ;
Cheung, C. C. ;
Chiang, J. ;
Ciprini, S. ;
Claus, R. ;
Cohen-Tanugi, J. ;
Colafrancesco, S. ;
Cominsky, L. R. ;
Conrad, J. ;
Costamante, L. ;
Dermer, C. D. ;
de Angelis, A. ;
de Palma, F. ;
Digel, S. W. ;
Donato, D. ;
do Couto e Silva, E. ;
Drell, P. S. ;
Dubois, R. ;
Dumora, D. ;
Farnier, C. ;
Favuzzi, C. ;
Finke, J. ;
Focke, W. B. .
ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2009, 699 (01) :31-39
[2]   SEARCH FOR DARK MATTER ANNIHILATION SIGNALS FROM THE FORNAX GALAXY CLUSTER WITH H.E.S.S. [J].
Abramowski, A. ;
Acero, F. ;
Aharonian, F. ;
Akhperjanian, A. G. ;
Anton, G. ;
Balzer, A. ;
Barnacka, A. ;
de Almeida, U. Barres ;
Becherini, Y. ;
Becker, J. ;
Behera, B. ;
Bernloehr, K. ;
Birsin, E. ;
Biteau, J. ;
Bochow, A. ;
Boisson, C. ;
Bolmont, J. ;
Bordas, P. ;
Brucker, J. ;
Brun, F. ;
Brun, P. ;
Bulik, T. ;
Bueching, I. ;
Carrigan, S. ;
Casanova, S. ;
Cerruti, M. ;
Chadwick, P. M. ;
Charbonnier, A. ;
Chaves, R. C. G. ;
Cheesebrough, A. ;
Clapson, A. C. ;
Coignet, G. ;
Cologna, G. ;
Conrad, J. ;
Dalton, M. ;
Daniel, M. K. ;
Davids, I. D. ;
Degrange, B. ;
Deil, C. ;
Dickinson, H. J. ;
Djannati-Atai, A. ;
Domainko, W. ;
Drury, L. O'C. ;
Dubus, G. ;
Dutson, K. ;
Dyks, J. ;
Dyrda, M. ;
Egberts, K. ;
Eger, P. ;
Espigat, P. .
ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2012, 750 (02)
[3]   Dark matter constraints from observations of 25 Milky Way satellite galaxies with the Fermi Large Area Telescope [J].
Ackermann, M. ;
Albert, A. ;
Anderson, B. ;
Baldini, L. ;
Ballet, J. ;
Barbiellini, G. ;
Bastieri, D. ;
Bechtol, K. ;
Bellazzini, R. ;
Bissaldi, E. ;
Bloom, E. D. ;
Bonamente, E. ;
Bouvier, A. ;
Brandt, T. J. ;
Bregeon, J. ;
Brigida, M. ;
Bruel, P. ;
Buehler, R. ;
Buson, S. ;
Caliandro, G. A. ;
Cameron, R. A. ;
Caragiulo, M. ;
Caraveo, P. A. ;
Cecchi, C. ;
Charles, E. ;
Chekhtman, A. ;
Chiang, J. ;
Ciprini, S. ;
Claus, R. ;
Cohen-Tanugi, J. ;
Conrad, J. ;
D'Ammando, F. ;
de Angelis, A. ;
Dermer, C. D. ;
Digel, S. W. ;
do Couto e Silva, E. ;
Drell, P. S. ;
Drlica-Wagner, A. ;
Essig, R. ;
Favuzzi, C. ;
Ferrara, E. C. ;
Franckowiak, A. ;
Fukazawa, Y. ;
Funk, S. ;
Fusco, P. ;
Gargano, F. ;
Gasparrini, D. ;
Giglietto, N. ;
Giroletti, M. ;
Godfrey, G. .
PHYSICAL REVIEW D, 2014, 89 (04)
[4]   The Imprint of the Extragalactic Background Light in the Gamma-Ray Spectra of Blazars [J].
Ackermann, M. ;
Ajello, M. ;
Allafort, A. ;
Schady, P. ;
Baldini, L. ;
Ballet, J. ;
Barbiellini, G. ;
Bastieri, D. ;
Bellazzini, R. ;
Blandford, R. D. ;
Bloom, E. D. ;
Borgland, A. W. ;
Bottacini, E. ;
Bouvier, A. ;
Bregeon, J. ;
Brigida, M. ;
Bruel, P. ;
Buehler, R. ;
Buson, S. ;
Caliandro, G. A. ;
Cameron, R. A. ;
Caraveo, P. A. ;
Cavazzuti, E. ;
Cecchi, C. ;
Charles, E. ;
Chaves, R. C. G. ;
Chekhtman, A. ;
Cheung, C. C. ;
Chiang, J. ;
Chiaro, G. ;
Ciprini, S. ;
Claus, R. ;
Cohen-Tanugi, J. ;
Conrad, J. ;
Cutini, S. ;
D'Ammando, F. ;
de Palma, F. ;
Dermer, C. D. ;
Digel, S. W. ;
do Couto e Silva, E. ;
Domnguez, A. ;
Drell, P. S. ;
Drlica-Wagner, A. ;
Favuzzi, C. ;
Fegan, S. J. ;
Focke, W. B. ;
Franckowiak, A. ;
Fukazawa, Y. ;
Funk, S. ;
Fusco, P. .
SCIENCE, 2012, 338 (6111) :1190-1192
[5]   THE FERMI LARGE AREA TELESCOPE ON ORBIT: EVENT CLASSIFICATION, INSTRUMENT RESPONSE FUNCTIONS, AND CALIBRATION [J].
Ackermann, M. ;
Ajello, M. ;
Albert, A. ;
Allafort, A. ;
Atwood, W. B. ;
Axelsson, M. ;
Baldini, L. ;
Ballet, J. ;
Barbiellini, G. ;
Bastieri, D. ;
Bechtol, K. ;
Bellazzini, R. ;
Bissaldi, E. ;
Blandford, R. D. ;
Bloom, E. D. ;
Bogart, J. R. ;
Bonamente, E. ;
Borgland, A. W. ;
Bottacini, E. ;
Bouvier, A. ;
Brandt, T. J. ;
Bregeon, J. ;
Brigida, M. ;
Bruel, P. ;
Buehler, R. ;
Burnett, T. H. ;
Buson, S. ;
Caliandro, G. A. ;
Cameron, R. A. ;
Caraveo, P. A. ;
Casandjian, J. M. ;
Cavazzuti, E. ;
Cecchi, C. ;
Celik, O. ;
Charles, E. ;
Chaves, R. C. G. ;
Chekhtman, A. ;
Cheung, C. C. ;
Chiang, J. ;
Ciprini, S. ;
Claus, R. ;
Cohen-Tanugi, J. ;
Conrad, J. ;
Corbet, R. ;
Cutini, S. ;
D'Ammando, F. ;
Davis, D. S. ;
de Angelis, A. ;
DeKlotz, M. ;
de Palma, F. .
ASTROPHYSICAL JOURNAL SUPPLEMENT SERIES, 2012, 203 (01)
[6]   FERMI-LAT OBSERVATIONS OF THE DIFFUSE γ-RAY EMISSION: IMPLICATIONS FORCOSMIC RAYS AND THE INTERSTELLAR MEDIUM [J].
Ackermann, M. ;
Ajello, M. ;
Atwood, W. B. ;
Baldini, L. ;
Ballet, J. ;
Barbiellini, G. ;
Bastieri, D. ;
Bechtol, K. ;
Bellazzini, R. ;
Berenji, B. ;
Blandford, R. D. ;
Bloom, E. D. ;
Bonamente, E. ;
Borgland, A. W. ;
Brandt, T. J. ;
Bregeon, J. ;
Brigida, M. ;
Bruel, P. ;
Buehler, R. ;
Buson, S. ;
Caliandro, G. A. ;
Cameron, R. A. ;
Caraveo, P. A. ;
Cavazzuti, E. ;
Cecchi, C. ;
Charles, E. ;
Chekhtman, A. ;
Chiang, J. ;
Ciprini, S. ;
Claus, R. ;
Cohen-Tanugi, J. ;
Conrad, J. ;
Cutini, S. ;
de Angelis, A. ;
de Palma, F. ;
Dermer, C. D. ;
Digel, S. W. ;
do Couto e Silva, E. ;
Drell, P. S. ;
Drlica-Wagner, A. ;
Falletti, L. ;
Favuzzi, C. ;
Fegan, S. J. ;
Ferrara, E. C. ;
Focke, W. B. ;
Fortin, P. ;
Fukazawa, Y. ;
Funk, S. ;
Fusco, P. ;
Gaggero, D. .
ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2012, 750 (01)
[7]   Constraining Dark Matter Models from a Combined Analysis of Milky Way Satellites with the Fermi Large Area Telescope [J].
Ackermann, M. ;
Ajello, M. ;
Albert, A. ;
Atwood, W. B. ;
Baldini, L. ;
Ballet, J. ;
Barbiellini, G. ;
Bastieri, D. ;
Bechtol, K. ;
Bellazzini, R. ;
Berenji, B. ;
Blandford, R. D. ;
Bloom, E. D. ;
Bonamente, E. ;
Borgland, A. W. ;
Bregeon, J. ;
Brigida, M. ;
Bruel, P. ;
Buehler, R. ;
Burnett, T. H. ;
Buson, S. ;
Caliandro, G. A. ;
Cameron, R. A. ;
Canadas, B. ;
Caraveo, P. A. ;
Casandjian, J. M. ;
Cecchi, C. ;
Charles, E. ;
Chekhtman, A. ;
Chiang, J. ;
Ciprini, S. ;
Claus, R. ;
Cohen-Tanugi, J. ;
Conrad, J. ;
Cutini, S. ;
de Angelis, A. ;
de Palma, F. ;
Dermer, C. D. ;
Digel, S. W. ;
do Couto e Silva, E. ;
Drell, P. S. ;
Drlica-Wagner, A. ;
Falletti, L. ;
Favuzzi, C. ;
Fegan, S. J. ;
Ferrara, E. C. ;
Fukazawa, Y. ;
Funk, S. ;
Fusco, P. ;
Gargano, F. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2011, 107 (24)
[8]   GeV GAMMA-RAY FLUX UPPER LIMITS FROM CLUSTERS OF GALAXIES [J].
Ackermann, M. ;
Ajello, M. ;
Allafort, A. ;
Baldini, L. ;
Ballet, J. ;
Barbiellini, G. ;
Bastieri, D. ;
Bechtol, K. ;
Bellazzini, R. ;
Blandford, R. D. ;
Blasi, P. ;
Bloom, E. D. ;
Bonamente, E. ;
Borgland, A. W. ;
Bouvier, A. ;
Brandt, T. J. ;
Bregeon, J. ;
Brigida, M. ;
Bruel, P. ;
Buehler, R. ;
Buson, S. ;
Caliandro, G. A. ;
Cameron, R. A. ;
Caraveo, P. A. ;
Carrigan, S. ;
Casandjian, J. M. ;
Cavazzuti, E. ;
Cecchi, C. ;
Celik, Oe ;
Charles, E. ;
Chekhtman, A. ;
Cheung, C. C. ;
Chiang, J. ;
Ciprini, S. ;
Claus, R. ;
Cohen-Tanugi, J. ;
Colafrancesco, S. ;
Cominsky, L. R. ;
Conrad, J. ;
Dermer, C. D. ;
de Palma, F. ;
Silva, E. do Couto e ;
Drell, P. S. ;
Dubois, R. ;
Dumora, D. ;
Edmonds, Y. ;
Farnier, C. ;
Favuzzi, C. ;
Frailis, M. ;
Fukazawa, Y. .
ASTROPHYSICAL JOURNAL LETTERS, 2010, 717 (01) :L71-L78
[9]   Constraints on dark matter annihilation in clusters of galaxies with the Fermi large area telescope [J].
Ackermann, M. ;
Ajello, M. ;
Allafort, A. ;
Baldini, L. ;
Ballet, J. ;
Barbiellini, G. ;
Bastieri, D. ;
Bechtol, K. ;
Bellazzini, R. ;
Blandford, R. D. ;
Bloom, E. D. ;
Bonamente, E. ;
Borgland, A. W. ;
Bouvier, A. ;
Brandt, T. J. ;
Bregeon, J. ;
Brigida, M. ;
Bruel, P. ;
Buehler, R. ;
Buson, S. ;
Caliandro, G. A. ;
Cameron, R. A. ;
Caraveo, P. A. ;
Carrigan, S. ;
Casandjian, J. M. ;
Cecchi, C. ;
Charles, E. ;
Chekhtman, A. ;
Cheung, C. C. ;
Chiang, J. ;
Ciprini, S. ;
Claus, R. ;
Cohen-Tanugi, J. ;
Cominsky, L. R. ;
Conrad, J. ;
de Angelis, A. ;
de Palma, F. ;
do Couto e Silva, E. ;
Drell, P. S. ;
Drlica-Wagner, A. ;
Dubois, R. ;
Dumora, D. ;
Edmonds, Y. ;
Farnier, C. ;
Favuzzi, C. ;
Fegan, S. J. ;
Frailis, M. ;
Fukazawa, Y. ;
Fusco, P. ;
Gargano, F. .
JOURNAL OF COSMOLOGY AND ASTROPARTICLE PHYSICS, 2010, (05)
[10]   Is the giant radio galaxy M 87 a TeV gamma-ray emitter? [J].
Aharonian, F ;
Akhperjanian, A ;
Beilicke, M ;
Bernlöhr, K ;
Börst, HG ;
Bojahr, H ;
Bolz, O ;
Coarasa, T ;
Contreras, JL ;
Cortina, J ;
Denninghoff, S ;
Fonseca, MV ;
Girma, M ;
Götting, N ;
Heinzelmann, G ;
Hermann, G ;
Heusler, A ;
Hofmann, W ;
Horns, D ;
Jung, I ;
Kankanyan, R ;
Kestel, M ;
Kohnle, A ;
Konopelko, A ;
Kornmeyer, H ;
Kranich, D ;
Lampeitl, H ;
Lopez, M ;
Lorenz, E ;
Lucarelli, F ;
Mang, O ;
Meyer, H ;
Mirzoyan, R ;
Moralejo, A ;
Ona-Wilhelmi, E ;
Panter, M ;
Plyasheshnikov, A ;
Pühlhofer, G ;
de los Reyes, R ;
Rhode, W ;
Ripken, J ;
Rowell, G ;
Sahakian, V ;
Samorski, M ;
Schilling, M ;
Siems, M ;
Sobzynska, D ;
Stamm, W ;
Tluczykont, M ;
Vitale, V .
ASTRONOMY & ASTROPHYSICS, 2003, 403 (01) :L1-L5