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.

We present detailed observations of the bright short-hard gamma-ray burst GRB 090510 made with the Gamma-ray Burst Monitor (GBM) and Large Area Telescope (LAT) on board the Fermi observatory. GRB 090510 is the first burst detected by the LAT that shows strong evidence for a deviation from a Band spectral fitting function during the prompt emission phase. The time-integrated spectrum is fit by the sum of a Band function with $\Epeak = 3.9\pm 0.3$\,MeV, which is the highest yet measured, and a hard power-law component with photon index $-1.62\pm 0.03$ that dominates the emission below $\approx$\,20\,keV and above $\approx$\,100\,MeV. The onset of the high-energy spectral component appears to be delayed by $\sim$\,0.1\,s with respect to the onset of a component well fit with a single Band function. A faint GBM pulse and a LAT photon are detected 0.5\,s before the main pulse. During the prompt phase, the LAT detected a photon with energy $30.5^{+5.8}_{-2.6}$ GeV, the highest ever measured from a short GRB. Observation of this photon sets a minimum bulk outflow Lorentz factor, $\Gamma\ga$\,1200, using simple $\gamma\gamma$ opacity arguments for this GRB at redshift $z = 0.903$ and a variability time scale on the order of tens of ms for the $\approx$\,100\,keV--few MeV flux. Stricter high confidence estimates imply $\Gamma \ga 1000$ and still require that the outflows powering short GRBs are at least as highly relativistic as those of long duration GRBs. Implications of the temporal behavior and power-law shape of the additional component on synchrotron/synchrotron self-Compton (SSC), external-shock synchrotron, and hadronic models are considered.

This paper presents light curves as well as the first systematic characterization of variability of the 106 objects in the high-confidence Fermi Large Area Telescope Bright AGN Sample (LBAS). Weekly light curves of this sample, obtained during the first 11 months of the Fermi survey (2008 August 4–2009 July 4), are tested for variability and their properties are quantified through autocorrelation function and structure function analysis. For the brightest sources, 3 or 4 day binned light curves are extracted in order to determine power density spectra (PDSs) and to fit the temporal structure of major flares. More than 50% of the sources are found to be variable with high significance, where high states do not exceed 1/4 of the total observation range. Variation amplitudes are larger for flat spectrum radio quasars and low/intermediate synchrotron frequency peaked BL Lac objects. Autocorrelation timescales derived from weekly light curves vary from four to a dozen of weeks. Variable sources of the sample have weekly and 3–4 day bin light curves that can be described by 1/fα PDS, and show two kinds of gamma-ray variability: (1) rather constant baseline with sporadic flaring activity characterized by flatter PDS slopes resembling flickering and red noise with occasional intermittence and (2)—measured for a few blazars showing strong activity—complex and structured temporal profiles characterized by long-term memory and steeper PDS slopes, reflecting a random walk underlying mechanism. The average slope of the PDS of the brightest 22 FSRQs and of the 6 brightest BL Lacs is 1.5 and 1.7, respectively. The study of temporal profiles of well-resolved flares observed in the 10 brightest LBAS sources shows that they generally have symmetric profiles and that their total duration vary between 10 and 100 days. Results presented here can assist in source class recognition for unidentified sources and can serve as reference for more detailed analysis of the brightest gamma-ray blazars.

We report on the gamma-ray activity of the high-synchrotron-peaked BL Lacertae object Mrk 421 during the first 1.5 years of Fermi operation, from 2008 August 5 to 2010 March 12. We find that the Large Area Telescope (LAT) gamma-ray spectrum above 0.3 GeV can be well-described by a power-law function with photon index Gamma=1.78 +/- 0.02 and average photon flux F(>0.3 GeV)=(7.23 +/- 0.16) x 10^{-8} ph cm^{-2} s^{-1}. Over this time period, the Fermi-LAT spectrum above 0.3 GeV was evaluated on 7-day-long time intervals, showing significant variations in the photon flux (up to a factor ~3 from the minimum to the maximum flux), but mild spectral variations. The variability amplitude at X-ray frequencies measured by RXTE/ASM and Swift/BAT is substantially larger than that in gamma-rays measured by Fermi-LAT, and these two energy ranges are not significantly correlated. We also present the first results from the 4.5-month-long multifrequency campaign on Mrk 421, which included the VLBA, Swift, RXTE, MAGIC, the F-GAMMA, GASP-WEBT, and other collaborations and instruments which provided excellent temporal and energy coverage of the source throughout the entire campaign (2009 January 19 to 2009 June 1). During this campaign, Mrk 421 showed a low activity at all wavebands. The extensive multi-instrument (radio to TeV) data set provides an unprecedented, complete look at the quiescent spectral energy distribution (SED) for this source. The broad band SED was reproduced with a leptonic (one-zone Synchrotron Self-Compton) and a hadronic model (Synchrotron Proton Blazar). Both frameworks are able to describe the average SED reasonably well, implying comparable jet powers but very different characteristics for the blazar emission site.

Pulsars are rapidly-rotating, highly-magnetized neutron stars emitting radiation across the electromagnetic spectrum. Although there are more than 1800 known radio pulsars, until recently, only seven were observed to pulse in gamma rays and these were all discovered at other wavelengths. The Fermi Large Area Telescope makes it possible to pinpoint neutron stars through their gamma-ray pulsations. We report the detection of 16 gamma-ray pulsars in blind frequency searches using the LAT. Most of these pulsars are coincident with previously unidentified gamma-ray sources, and many are associated with supernova remnants. Direct detection of gamma-ray pulsars enables studies of emission mechanisms, population statistics and the energetics of pulsar wind nebulae and supernova remnants.

We report the discovery with Fermi/LAT of gamma-ray emission from three radio-loud narrow-line Seyfert 1 galaxies: PKS 1502+036 (z=0.409), 1H 0323+342 (z=0.061) and PKS 2004-447 (z=0.24). In addition to PMN J0948+0022 (z=0.585), the first source of this type to be detected in gamma rays, they may form an emerging new class of gamma-ray active galactic nuclei (AGN). These findings can have strong implications on our knowledge about relativistic jets and the unified model of AGN.

The origin of Galactic cosmic rays is a century-long puzzle. Indirect evidence points to their acceleration by supernova shockwaves, but we know little of their escape from the shock and their evolution through the turbulent medium surrounding massive stars. Gamma rays can probe their spreading through the ambient gas and radiation fields. The Fermi Large Area Telescope (LAT) has observed the star-forming region of Cygnus X. The 1- to 100-gigaelectronvolt images reveal a 50-parsec-wide cocoon of freshly accelerated cosmic rays that flood the cavities carved by the stellar winds and ionization fronts from young stellar clusters. It provides an example to study the youth of cosmic rays in a superbubble environment before they merge into the older Galactic population.

Dark matter particle annihilation or decay can produce monochromatic gamma-ray lines and contribute to the diffuse gamma-ray background. Flux upper limits are presented for gamma-ray spectral lines from 7 to 200 GeV and for the diffuse gamma-ray background from 4.8 GeV to 264 GeV obtained from two years of Fermi Large Area Telescope data integrated over most of the sky. We give cross-section upper limits and decay lifetime lower limits for dark matter models that produce gamma-ray lines or contribute to the diffuse spectrum, including models proposed as explanations of the PAMELA and Fermi cosmic-ray data.

Weakly interacting massive particles (WIMPs) are a theoretical class of particles that are excellent dark matter candidates. WIMP annihilation or decay may produce essentially monochromatic γ rays detectable by the Fermi Large Area Telescope (LAT) against the astrophysical γ-ray emission of the Galaxy. We have searched for spectral lines in the energy range 5–300 GeV using 3.7 years of data, reprocessed with updated instrument calibrations and an improved energy dispersion model compared to the previous Fermi-LAT Collaboration line searches. We searched in five regions selected to optimize sensitivity to different theoretically motivated dark matter density distributions. We did not find any globally significant lines in our a priori search regions and present 95% confidence limits for annihilation cross sections of self-conjugate WIMPs and decay lifetimes. Our most significant fit occurred at 133 GeV in our smallest search region and had a local significance of 3.3 standard deviations, which translates to a global significance of 1.5 standard deviations. We discuss potential systematic effects in this search, and examine the feature at 133 GeV in detail. We find that the use both of reprocessed data and of additional information in the energy dispersion model contributes to the reduction in significance of the linelike feature near 130 GeV relative to significances reported in other works. We also find that the feature is narrower than the LAT energy resolution at the level of 2 to 3 standard deviations, which somewhat disfavors the interpretation of the 133 GeV feature as a real WIMP signal.18 MoreReceived 23 May 2013DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevD.88.082002© 2013 American Physical Society

We present observations of the young supernova remnant (SNR) RX J1713.7−3946 with the Fermi Large Area Telescope (LAT). We clearly detect a source positionally coincident with the SNR. The source is extended with a best-fit extension of 055 ± 004 matching the size of the non-thermal X-ray and TeV gamma-ray emission from the remnant. The positional coincidence and the matching extended emission allow us to identify the LAT source with SNR RX J1713.7−3946. The spectrum of the source can be described by a very hard power law with a photon index of Γ = 1.5 ± 0.1 that coincides in normalization with the steeper H.E.S.S.-detected gamma-ray spectrum at higher energies. The broadband gamma-ray emission is consistent with a leptonic origin as the dominant mechanism for the gamma-ray emission.