The dwarf spheroidal satellite galaxies (dSphs) of the Milky Way are some of the most dark matter (DM) dominated objects known. We report on gamma-ray observations of Milky Way dSphs based on 6 years of Fermi Large Area Telescope data processed with the new Pass 8 event-level analysis. None of the dSphs are significantly detected in gamma rays, and we present upper limits on the DM annihilation cross section from a combined analysis of 15 dSphs. These constraints are among the strongest and most robust to date and lie below the canonical thermal relic cross section for DM of mass $\lesssim$ 100 GeV annihilating via quark and $\tau$-lepton channels.

The dwarf spheroidal satellite galaxies of the Milky Way are some of the most dark-matter-dominated objects known. Due to their proximity, high dark matter content, and lack of astrophysical backgrounds, dwarf spheroidal galaxies are widely considered to be among the most promising targets for the indirect detection of dark matter via $\ensuremath{\gamma}$ rays. Here we report on $\ensuremath{\gamma}$-ray observations of 25 Milky Way dwarf spheroidal satellite galaxies based on 4 years of Fermi Large Area Telescope (LAT) data. None of the dwarf galaxies are significantly detected in $\ensuremath{\gamma}$ rays, and we present $\ensuremath{\gamma}$-ray flux upper limits between 500 MeV and 500 GeV. We determine the dark matter content of 18 dwarf spheroidal galaxies from stellar kinematic data and combine LAT observations of 15 dwarf galaxies to constrain the dark matter annihilation cross section. We set some of the tightest constraints to date on the annihilation of dark matter particles with masses between 2 GeV and 10 TeV into prototypical standard model channels. We find these results to be robust against systematic uncertainties in the LAT instrument performance, diffuse $\ensuremath{\gamma}$-ray background modeling, and assumed dark matter density profile.

The Fermi Large Area Telescope (Fermi-LAT, hereafter LAT), the primary instrument on the Fermi Gamma-ray Space Telescope (Fermi) mission, is an imaging, wide field-of-view, high-energy \gamma-ray telescope, covering the energy range from 20 MeV to more than 300 GeV. During the first years of the mission the LAT team has gained considerable insight into the in-flight performance of the instrument. Accordingly, we have updated the analysis used to reduce LAT data for public release as well as the Instrument Response Functions (IRFs), the description of the instrument performance provided for data analysis. In this paper we describe the effects that motivated these updates. Furthermore, we discuss how we originally derived IRFs from Monte Carlo simulations and later corrected those IRFs for discrepancies observed between flight and simulated data. We also give details of the validations performed using flight data and quantify the residual uncertainties in the IRFs. Finally, we describe techniques the LAT team has developed to propagate those uncertainties into estimates of the systematic errors on common measurements such as fluxes and spectra of astrophysical sources.

ABSTRACT Since 2012 August Voyager 1 has been observing the local interstellar energy spectra of Galactic cosmic-ray nuclei down to 3 MeV nuc −1 and electrons down to 2.7 MeV. The H and He spectra have the same energy dependence between 3 and 346 MeV nuc −1 , with a broad maximum in the 10–50 MeV nuc −1 range and a H/He ratio of 12.2 ± 0.9. The peak H intensity is ∼15 times that observed at 1 AU, and the observed local interstellar gradient of 3–346 MeV H is −0.009 ± 0.055% AU −1 , consistent with models having no local interstellar gradient. The energy spectrum of electrons ( e − + e + ) with 2.7–74 MeV is consistent with E −1.30±0.05 and exceeds the H intensity at energies below ∼50 MeV. Propagation model fits to the observed spectra indicate that the energy density of cosmic-ray nuclei with >3 MeV nuc −1 and electrons with >3 MeV is 0.83–1.02 eV cm −3 and the ionization rate of atomic H is in the range of 1.51–1.64 × 10 −17 s −1 . This rate is a factor >10 lower than the ionization rate in diffuse interstellar clouds, suggesting significant spatial inhomogeneity in low-energy cosmic rays or the presence of a suprathermal tail on the energy spectrum at much lower energies. The propagation model fits also provide improved estimates of the elemental abundances in the source of Galactic cosmic rays.

The Fermi Large Area Telescope (LAT) has provided the most detailed view to date of the emission towards the Galactic centre (GC) in high-energy gamma-rays. This paper describes the analysis of data taken during the first 62 months of the mission in the energy range 1-100 GeV from a $15^\circ \times 15^\circ$ region about the direction of the GC, and implications for the interstellar emissions produced by cosmic ray (CR) particles interacting with the gas and radiation fields in the inner Galaxy and for the point sources detected. Specialised interstellar emission models (IEMs) are constructed that enable separation of the gamma-ray emission from the inner $\sim 1$ kpc about the GC from the fore- and background emission from the Galaxy. Based on these models, the interstellar emission from CR electrons interacting with the interstellar radiation field via the inverse Compton (IC) process and CR nuclei inelastically scattering off the gas producing gamma-rays via $\pi^0$ decays from the inner $\sim 1$ kpc is determined. The IC contribution is found to be dominant in the region and strongly enhanced compared to previous studies. A catalog of point sources for the $15^\circ \times 15^\circ$ region is self-consistently constructed using these IEMs: the First Fermi-LAT Inner Galaxy point source Catalog (1FIG). After subtracting the interstellar emission and point-source contributions from the data a residual is found that is a sub-dominant fraction of the total flux. If spatial templates that peak toward the GC are used to model the positive residual and included in the total model for the $15^\circ \times 15^\circ$ region, the agreement with the data improves, but none of the additional templates account for all of the residual structure. The spectrum of the positive residual modelled with these templates has a strong dependence on the choice of IEM. [Abridged]

The region around the Galactic center (GC) is now well established to be brighter at energies of a few GeV than expected from conventional models of diffuse gamma-ray emission and catalogs of known gamma-ray sources. We study the GeV excess using 6.5 years of data from the Fermi Large Area Telescope. We characterize the uncertainty of the GC excess spectrum and morphology due to uncertainties in cosmic-ray source distributions and propagation, uncertainties in the distribution of interstellar gas in the Milky Way, and uncertainties due to a potential contribution from the Fermi bubbles. We also evaluate uncertainties in the excess properties due to resolved point sources of gamma rays. The Galactic center is of particular interest as it would be expected to have the brightest signal from annihilation of weakly interacting massive dark matter particles. However, control regions along the Galactic plane, where a dark-matter signal is not expected, show excesses of similar amplitude relative to the local background. Based on the magnitude of the systematic uncertainties, we conservatively report upper limits for the annihilation cross section as function of particle mass and annihilation channel.

Recent detections of the starburst galaxies M82 and NGC 253 by gamma-ray telescopes suggest that galaxies rapidly forming massive stars are more luminous at gamma-ray energies compared to their quiescent relatives. Building upon those results, we examine a sample of 69 dwarf, spiral, and luminous and ultraluminous infrared galaxies at photon energies 0.1–100 GeV using 3 years of data collected by the Large Area Telescope (LAT) on the Fermi Gamma-ray Space Telescope (Fermi). Measured fluxes from significantly detected sources and flux upper limits for the remaining galaxies are used to explore the physics of cosmic rays in galaxies. We find further evidence for quasi-linear scaling relations between gamma-ray luminosity and both radio continuum luminosity and total infrared luminosity which apply both to quiescent galaxies of the Local Group and low-redshift starburst galaxies (conservative P-values ≲ 0.05 accounting for statistical and systematic uncertainties). The normalizations of these scaling relations correspond to luminosity ratios of log (L0.1–100 GeV/L1.4 GHz) = 1.7 ± 0.1(statistical) ± 0.2(dispersion) and log (L0.1–100 GeV/L8–1000 μm) = −4.3 ± 0.1(statistical) ± 0.2(dispersion) for a galaxy with a star formation rate of 1 M☉ yr−1, assuming a Chabrier initial mass function. Using the relationship between infrared luminosity and gamma-ray luminosity, the collective intensity of unresolved star-forming galaxies at redshifts 0 < z < 2.5 above 0.1 GeV is estimated to be 0.4–2.4 × 10−6 ph cm−2 s−1 sr−1 (4%–23% of the intensity of the isotropic diffuse component measured with the LAT). We anticipate that ∼10 galaxies could be detected by their cosmic-ray-induced gamma-ray emission during a 10 year Fermi mission.

Dark matter in the Milky Way may annihilate directly into gamma rays, producing a monoenergetic spectral line. Therefore, detecting such a signature would be strong evidence for dark matter annihilation or decay. We search for spectral lines in the Fermi Large Area Telescope observations of the Milky Way halo in the energy range 200 MeV to 500 GeV using analysis methods from our most recent line searches. The main improvements relative to previous works are our use of 5.8 years of data reprocessed with the Pass 8 event-level analysis and the additional data resulting from the modified observing strategy designed to increase exposure of the Galactic center region. We searched in five sky regions selected to optimize sensitivity to different theoretically-motivated dark matter scenarios and find no significant detections. In addition to presenting the results from our search for lines, we also investigate the previously reported tentative detection of a line at 133 GeV using the new Pass 8 data.

We present a catalog of sources detected above 10 GeV by the Fermi Large Area Telescope (LAT) in the first 7 years of data using the Pass 8 event-level analysis. This is the Third Catalog of Hard Fermi-LAT Sources (3FHL), containing 1556 objects characterized in the 10 GeV - 2 TeV energy range. The sensitivity and angular resolution are improved by factors of 3 and 2 relative to the previous LAT catalog at the same energies (1FHL). The vast majority of detected sources (79%) are associated with extragalactic counterparts at other wavelengths, including 16 sources located at very high redshift ($z>2$). Eight percent of the sources have Galactic counterparts and 13% are unassociated (or associated with a source of unknown nature). The high-latitude sky and the Galactic plane are observed with a flux sensitivity of 4.4 to 9.5$\times 10^{-11}$ ph cm$^{-2}$ s$^{-1}$, respectively (this is approximately 0.5% and 1% of the Crab Nebula flux above 10 GeV). The catalog includes 214 new $\gamma$-ray sources. The substantial increase in the number of photons (more than 4 times relative to 1FHL and 10 times to 2FHL) also allows us to measure significant spectral curvature for 32 sources and find flux variability for 163 of them. Furthermore, we estimate that for the same flux limit of $10^{-12}$ erg cm$^{-2}$ s$^{-1}$, the energy range above 10 GeV has twice as many sources as above 50 GeV, highlighting the importance, for future Cherenkov telescopes, of lowering the energy threshold as much as possible.

The Fermi bubbles are two large structures in the gamma-ray sky extending to 55° above and below the Galactic center. We analyze 50 months of Fermi Large Area Telescope data between 100 MeV and 500 GeV above 10° in Galactic latitude to derive the spectrum and morphology of the Fermi bubbles. We thoroughly explore the systematic uncertainties that arise when modeling the Galactic diffuse emission through two separate approaches. The gamma-ray spectrum is well described by either a log parabola or a power law with an exponential cutoff. We exclude a simple power law with more than 7σ significance. The power law with an exponential cutoff has an index of 1.9 ± 0.2 and a cutoff energy of 110 ± 50 GeV. We find that the gamma-ray luminosity of the bubbles is erg s−1. We confirm a significant enhancement of gamma-ray emission in the southeastern part of the bubbles, but we do not find significant evidence for a jet. No significant variation of the spectrum across the bubbles is detected. The width of the boundary of the bubbles is estimated to be deg. Both inverse Compton (IC) models and hadronic models including IC emission from secondary leptons fit the gamma-ray data well. In the IC scenario, synchrotron emission from the same population of electrons can also explain the WMAP and Planck microwave haze with a magnetic field between 5 and 20 μG.