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，來自中國科學院理論物理研究所等單位的研究人員對被認為是暗物質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日發表在《自然·天文學》期刊上。

利用超大質量黑洞尋找極輕粒子

2019年，結合地球各地望遠鏡的觀測結果，EHT合作組公布了一張分辨率極高的超大質量黑洞M87？的照片，照片展示了一個中心為黑色的明亮環狀結構,看上去有點像甜甜圈。外圈明亮的圓環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域光線的結果。

2021年，EHT合作組更新了同一張照片，在原有基礎上顯示了更精細的結構——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，并揭示了黑洞外的磁場。

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

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

在超越粒子物理學標準模型預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候選者。長久以來，尋找軸子是粒子物理學的首要任務之一。

軸子讓黑洞“裱花”按特定模式“舞蹈”

理論預期，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生偏轉，類似磁場中的法拉第旋轉效應。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。

中國科學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生額外的周期性旋轉，周期在5—20天。偏振角的變化表現為沿著明亮的光環方向傳播的波，這時‘裱花’圖案的‘舞蹈’會出現一個特定的模式，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域。“‘跳舞’是我們預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區間，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，通過更詳細的數據，特別是更多的連續時間觀測和更好的空間分辨率的數據，我們可以探測到更大的參數空間。”（實習記者 婁玉琳）