We present the third Fermi Large Area Telescope (LAT) source catalog (3FGL) of sources in the 100 MeV–300 GeV range. Based on the first 4 yr of science data from the Fermi Gamma-ray Space Telescope mission, it is the deepest yet in this energy range. Relative to the Second Fermi LAT catalog, the 3FGL catalog incorporates twice as much data, as well as a number of analysis improvements, including improved calibrations at the event reconstruction level, an updated model for Galactic diffuse γ-ray emission, a refined procedure for source detection, and improved methods for associating LAT sources with potential counterparts at other wavelengths. The 3FGL catalog includes 3033 sources above significance, with source location regions, spectral properties, and monthly light curves for each. Of these, 78 are flagged as potentially being due to imperfections in the model for Galactic diffuse emission. Twenty-five sources are modeled explicitly as spatially extended, and overall 238 sources are considered as identified based on angular extent or correlated variability (periodic or otherwise) observed at other wavelengths. For 1010 sources we have not found plausible counterparts at other wavelengths. More than 1100 of the identified or associated sources are active galaxies of the blazar class; several other classes of non-blazar active galaxies are also represented in the 3FGL. Pulsars represent the largest Galactic source class. From source counts of Galactic sources we estimate that the contribution of unresolved sources to the Galactic diffuse emission is ∼3% at 1 GeV.

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 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 third catalog of active galactic nuclei (AGNs) detected by the Fermi-LAT (3LAC) is presented. It is based on the third Fermi-LAT catalog (3FGL) of sources detected between 100 MeV and 300 GeV with a Test Statistic (TS) greater than 25, between 2008 August 4 and 2012 July 31. The 3LAC includes 1591 AGNs located at high Galactic latitudes (|b|>10{\deg}), a 71% increase over the second catalog based on 2 years of data. There are 28 duplicate associations, thus 1563 of the 2192 high-latitude gamma-ray sources of the 3FGL catalog are AGNs. Most of them (98%) are blazars. About half of the newly detected blazars are of unknown type, i.e., they lack spectroscopic information of sufficient quality to determine the strength of their emission lines. Based on their gamma-ray spectral properties, these sources are evenly split between flat-spectrum radio quasars (FSRQs) and BL~Lacs. The most abundant detected BL~Lacs are of the high-synchrotron-peaked (HSP) type. About 50% of the BL~Lacs have no measured redshifts. A few new rare outliers (HSP-FSRQs and high-luminosity HSP BL~Lacs) are reported. The general properties of the 3LAC sample confirm previous findings from earlier catalogs. The fraction of 3LAC blazars in the total population of blazars listed in BZCAT remains non-negligible even at the faint ends of the BZCAT-blazar radio, optical and X-ray flux distributions, which is a clue that even the faintest known blazars could eventually shine in gamma rays at LAT-detection levels. The energy-flux distributions of the different blazar populations are in good agreement with extrapolation from earlier catalogs.

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 (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.

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.