用“甜甜圈裱花”的“舞蹈”尋找極輕粒子

黑洞事件視界望遠鏡（EHT）合作組觀測到的巨型星系Messier 87中的黑洞（M87？）陰影圖像為天文學(xué)和引力研究帶來了豐富的信息。除了驚嘆于首次目睹的黑洞“真面目”，我們還能從中了解到什么？

近日，利用黑洞偏振圖像的變化，來自中國科學(xué)院理論物理研究所等單位的研究人員對被認為是暗物質(zhì)候選粒子的軸子和可見光子之間的耦合給出了一個新的約束。研究成果3月17日發(fā)表在《自然·天文學(xué)》期刊上。

利用超大質(zhì)量黑洞尋找極輕粒子

2019年，結(jié)合地球各地望遠鏡的觀測結(jié)果，EHT合作組公布了一張分辨率極高的超大質(zhì)量黑洞M87？的照片，照片展示了一個中心為黑色的明亮環(huán)狀結(jié)構(gòu),看上去有點像甜甜圈。外圈明亮的圓環(huán)源于黑洞周圍吸積流的輻射，“甜甜圈”中心的黑色是黑洞吞噬了中心區(qū)域光線的結(jié)果。

2021年，EHT合作組更新了同一張照片，在原有基礎(chǔ)上顯示了更精細的結(jié)構(gòu)——表示線偏振方向（EVPA）的紋理線，將“甜甜圈”變成了一個“裱花”的圖樣。這些照片給出了黑洞存在的最直接證據(jù)，并揭示了黑洞外的磁場。

如何把超大質(zhì)量黑洞轉(zhuǎn)換成極輕粒子的探測器？這可以追溯到1969年英國物理學(xué)家羅杰·彭羅斯提出的一個物理過程：自旋為整數(shù)的玻色粒子可以從旋轉(zhuǎn)黑洞中提取能量，形成圍繞黑洞的高密度玻色云塊。玻色子提取黑洞旋轉(zhuǎn)能的過程被稱為超輻射。

為了使這一過程發(fā)生，玻色子的康普頓波長需要與黑洞視界大小相當(dāng)。因此，超大質(zhì)量黑洞就成了極輕粒子的天然探測器。

在超越粒子物理學(xué)標(biāo)準模型預(yù)言的各種極輕粒子中，軸子是最有希望的候選者之一。同時，軸子也是一個完美的冷暗物質(zhì)候選者。長久以來，尋找軸子是粒子物理學(xué)的首要任務(wù)之一。

軸子讓黑洞“裱花”按特定模式“舞蹈”

理論預(yù)期，軸子和光子之間存在微弱的相互作用，其中一種效果就是線偏振光的偏振面在軸子場中會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，類似磁場中的法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。而黑洞周圍如果形成致密的軸子云將顯著地放大這個效應(yīng)。

中國科學(xué)院理論物理研究所研究員舒菁說：“軸子的存在能使線偏振的方向產(chǎn)生額外的周期性旋轉(zhuǎn)，周期在5—20天。偏振角的變化表現(xiàn)為沿著明亮的光環(huán)方向傳播的波，這時‘裱花’圖案的‘舞蹈’會出現(xiàn)一個特定的模式，而不是如同一個醉漢般隨機行走。”

科研人員可以通過比較黑洞附近偏振的分布及其隨時間的演化，來確認是否存在軸子引起的“裱花”圖案的“舞蹈”。

EHT的偏振測量提供了4天的EVPA的高分辨率圖像，這正是研究人員搜索軸子所需要的信息。

舒菁表示，利用“裱花”圖樣4天變化的不同情況，我們可以使軸子和光子之間的耦合突破到以前未曾探索的區(qū)域。“‘跳舞’是我們預(yù)言的軸子存在的信號形式，如果沒有看到‘跳舞’的形式，就可以限制軸子的參數(shù)區(qū)間，比過去的限制都要強。”

論文作者之一、研究團隊成員陳一帆說：“為了降低黑洞吸積流的湍流變化的不確定度，我們引入了一種新的分析策略，將兩個連續(xù)天之間的差異作為觀測量來限制軸子引起的EVPA變化。未來，通過更詳細的數(shù)據(jù)，特別是更多的連續(xù)時間觀測和更好的空間分辨率的數(shù)據(jù)，我們可以探測到更大的參數(shù)空間。”（實習(xí)記者 婁玉琳）