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.

We present the fourth Fermi Large Area Telescope catalog (4FGL) of gamma-ray sources. Based on the first eight years of science data from the Fermi Gamma-ray Space Telescope mission in the energy range from 50 MeV to 1 TeV, it is the deepest yet in this energy range. Relative to the 3FGL catalog, the 4FGL catalog has twice as much exposure as well as a number of analysis improvements, including an updated model for the Galactic diffuse gamma-ray emission, and two sets of light curves (1-year and 2-month intervals). The 4FGL catalog includes 5064 sources above 4 sigma significance, for which we provide localization and spectral properties. Seventy-five sources are modeled explicitly as spatially extended, and overall 358 sources are considered as identified based on angular extent, periodicity or correlated variability observed at other wavelengths. For 1336 sources we have not found plausible counterparts at other wavelengths. More than 3130 of the identified or associated sources are active galaxies of the blazar class, and 239 are pulsars.

The γ-ray sky can be decomposed into individually detected sources, diffuse emission attributed to the interactions of Galactic cosmic rays with gas and radiation fields, and a residual all-sky emission component commonly called the isotropic diffuse γ-ray background (IGRB). The IGRB comprises all extragalactic emissions too faint or too diffuse to be resolved in a given survey, as well as any residual Galactic foregrounds that are approximately isotropic. The first IGRB measurement with the Large Area Telescope (LAT) on board the Fermi Gamma-ray Space Telescope (Fermi) used 10 months of sky-survey data and considered an energy range between 200 MeV and 100 GeV. Improvements in event selection and characterization of cosmic-ray backgrounds, better understanding of the diffuse Galactic emission (DGE), and a longer data accumulation of 50 months allow for a refinement and extension of the IGRB measurement with the LAT, now covering the energy range from 100 MeV to 820 GeV. The IGRB spectrum shows a significant high-energy cutoff feature and can be well described over nearly four decades in energy by a power law with exponential cutoff having a spectral index of 2.32 ± 0.02 and a break energy of (279 ± 52) GeV using our baseline DGE model. The total intensity attributed to the IGRB is (7.2 ± 0.6) × 10−6 cm−2 s−1 sr−1 above 100 MeV, with an additional +15%/−30% systematic uncertainty due to the Galactic diffuse foregrounds.

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.

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.

We present a catalog of sources detected above 50 GeV by the {\it Fermi}-Large Area Telescope (LAT) in 80 months of data. The newly delivered Pass 8 event-level analysis allows the detection and characterization of sources in the 50 GeV--2 TeV energy range. In this energy band, {\it Fermi}-LAT has detected 360 sources, which constitute the second catalog of hard {\it Fermi}-LAT sources (2FHL). The improved angular resolution enables the precise localization of point sources ($\sim$1.7$'$ radius at 68 % C.~L.) and the detection and characterization of spatially extended sources. We find that 86 % of the sources can be associated with counterparts at other wavelengths, of which the majority (75 %) are active galactic nuclei and the rest (11 %) are Galactic sources. Only 25 % of the 2FHL sources have been previously detected by Cherenkov telescopes, implying that the 2FHL provides a reservoir of candidates to be followed up at very high energies. This work closes the energy gap between the observations performed at GeV energies by {\it Fermi}-LAT on orbit and the observations performed at higher energies by Cherenkov telescopes from the ground.

ABSTRACT Most of the celestial γ rays detected by the Large Area Telescope (LAT) on board the Fermi Gamma-ray Space Telescope originate from the interstellar medium when energetic cosmic rays interact with interstellar nucleons and photons. Conventional point-source and extended-source studies rely on the modeling of this diffuse emission for accurate characterization. Here, we describe the development of the Galactic Interstellar Emission Model (GIEM), which is the standard adopted by the LAT Collaboration and is publicly available. This model is based on a linear combination of maps for interstellar gas column density in Galactocentric annuli and for the inverse-Compton emission produced in the Galaxy. In the GIEM, we also include large-scale structures like Loop I and the Fermi bubbles. The measured gas emissivity spectra confirm that the cosmic-ray proton density decreases with Galactocentric distance beyond 5 kpc from the Galactic Center. The measurements also suggest a softening of the proton spectrum with Galactocentric distance. We observe that the Fermi bubbles have boundaries with a shape similar to a catenary at latitudes below 20° and we observe an enhanced emission toward their base extending in the north and south Galactic directions and located within ∼4° of the Galactic Center.

We evaluate dark matter (DM) limits from cosmic-ray antiproton observations using the recent precise AMS-02 measurements. We properly take into account cosmic-ray propagation uncertainties, fitting DM and propagation parameters at the same time and marginalizing over the latter. We find a significant indication of a DM signal for DM masses near 80 GeV, with a hadronic annihilation cross section close to the thermal value, ⟨σv⟩≈3×10−26 cm3 s−1. Intriguingly, this signal is compatible with the DM interpretation of the Galactic center gamma-ray excess. Confirmation of the signal will require a more accurate study of the systematic uncertainties, i.e., the antiproton production cross section, and the modeling of the effect of solar modulation. Interpreting the AMS-02 data in terms of upper limits on hadronic DM annihilation, we obtain strong constraints excluding a thermal annihilation cross section for DM masses below about 50 GeV and in the range between approximately 150 and 500 GeV, even for conservative propagation scenarios. Except for the range around ∼80 GeV, our limits are a factor of ∼4 stronger than the limits from gamma-ray observations of dwarf galaxies.Received 24 October 2016DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.191102© 2017 American Physical SocietyPhysics Subject Headings (PhySH)Research AreasCosmic ray propagationParticle dark matterGravitation, Cosmology & Astrophysics

We present a measurement of the cosmic-ray electron+positron spectrum between 7 GeV and 2 TeV performed with almost seven years of data collected with the Fermi Large Area Telescope. We find that the spectrum is well fit by a broken power law with a break energy at about 50 GeV. Above 50 GeV, the spectrum is well described by a single power law with a spectral index of $3.07 \pm 0.02 \; (\text{stat+syst}) \pm 0.04 \; (\text{energy measurement})$. An exponential cutoff lower than 1.8 TeV is excluded at 95\% CL.