用“甜甜圈裱花”的“舞蹈”尋找極輕粒子

黑洞事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）合作組觀測(cè)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(lái)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(lái)自中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所等單位的研究人員對(duì)被認(rèn)為是暗物質(zhì)候選粒子的軸子和可見(jiàn)光子之間的耦合給出了一個(gè)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(yuǎn)鏡的觀測(cè)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(gè)中心為黑色的明亮環(huán)狀結(jié)構(gòu),看上去有點(diǎn)像甜甜圈。外圈明亮的圓環(huán)源于黑洞周?chē)e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(xiàn)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(xì)的結(jié)構(gòu)——表示線(xiàn)偏振方向（EVPA）的紋理線(xiàn)，將“甜甜圈”變成了一個(gè)“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(chǎng)。

如何把超大質(zhì)量黑洞轉(zhuǎn)換成極輕粒子的探測(cè)器？這可以追溯到1969年英國(guó)物理學(xué)家羅杰·彭羅斯提出的一個(gè)物理過(guò)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(guò)程被稱(chēng)為超輻射。

為了使這一過(guò)程發(fā)生，玻色子的康普頓波長(zhǎng)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(cè)器。

在超越粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，軸子也是一個(gè)完美的冷暗物質(zhì)候選者。長(zhǎng)久以來(lái)，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(xiàn)偏振光的偏振面在軸子場(chǎng)中會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，類(lèi)似磁場(chǎng)中的法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。而黑洞周?chē)绻纬芍旅艿妮S子云將顯著地放大這個(gè)效應(yīng)。

中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所研究員舒菁說(shuō)：“軸子的存在能使線(xiàn)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(shí)‘裱花’圖案的‘舞蹈’會(huì)出現(xiàn)一個(gè)特定的模式，而不是如同一個(gè)醉漢般隨機(jī)行走。”

科研人員可以通過(guò)比較黑洞附近偏振的分布及其隨時(shí)間的演化，來(lái)確認(rèn)是否存在軸子引起的“裱花”圖案的“舞蹈”。

EHT的偏振測(cè)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(hào)形式，如果沒(méi)有看到‘跳舞’的形式，就可以限制軸子的參數(shù)區(qū)間，比過(guò)去的限制都要強(qiáng)。”

論文作者之一、研究團(tuán)隊(duì)成員陳一帆說(shuō)：“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(gè)連續(xù)天之間的差異作為觀測(cè)量來(lái)限制軸子引起的EVPA變化。未來(lái)，通過(guò)更詳細(xì)的數(shù)據(jù)，特別是更多的連續(xù)時(shí)間觀測(cè)和更好的空間分辨率的數(shù)據(jù)，我們可以探測(cè)到更大的參數(shù)空間。”（實(shí)習(xí)記者 婁玉琳）