用“甜甜圈裱花”的“舞蹈”寻找极轻粒子

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黑洞事件视界望远镜（EHT）合作组观测到的巨型星系Messier 87中的黑洞（M87？）阴影图像为天文学和引力研究带来了丰富的信息。除了惊叹于首次目睹的黑洞“真面目”，我们还能从中了解到什么？近日，利用黑洞偏振图像的变化，来自中国科学院理论物理研究所等单位的研究人员对被认为是暗物质候选粒子的轴子和可见光子之间的耦合给出了一个新的约束。研究成果3月17日发表在《自然·天文学》期刊上。
2019年，结合地球各地望远镜的观测结果，EHT合作组公布了一张分辨率极高的超大质量黑洞M87？的照片，照片展示了一个中心为黑色的明亮环状结构,看上去有点像甜甜圈。外圈明亮的圆环源于黑洞周围吸积流的辐射，“甜甜圈”中心的黑色是黑洞吞噬了中心区域光线的结果。
2021年，EHT合作组更新了同一张照片，在原有基础上显示了更精细的结构——表示线偏振方向（EVPA）的纹理线，将“甜甜圈”变成了一个“裱花”的图样。这些照片给出了黑洞存在的最直接证据，并揭示了黑洞外的磁场。
如何把超大质量黑洞转换成极轻粒子的探测器？这可以追溯到1969年英国物理学家罗杰·彭罗斯提出的一个物理过程：自旋为整数的玻色粒子可以从旋转黑洞中提取能量，形成围绕黑洞的高密度玻色云块。玻色子提取黑洞旋转能的过程被称为超辐射。
为了使这一过程发生，玻色子的康普顿波长需要与黑洞视界大小相当。因此，超大质量黑洞就成了极轻粒子的天然探测器。
在超越粒子物理学标准模型预言的各种极轻粒子中，轴子是最有希望的候选者之一。同时，轴子也是一个完美的冷暗物质候选者。长久以来，寻找轴子是粒子物理学的首要任务之一。
理论预期，轴子和光子之间存在微弱的相互作用，其中一种效果就是线偏振光的偏振面在轴子场中会发生偏转，类似磁场中的法拉第旋转效应。而黑洞周围如果形成致密的轴子云将显著地放大这个效应。
中国科学院理论物理研究所研究员舒菁说：“轴子的存在能使线偏振的方向产生额外的周期性旋转，周期在5—20天。偏振角的变化表现为沿着明亮的光环方向传播的波，这时‘裱花’图案的‘舞蹈’会出现一个特定的模式，而不是如同一个醉汉般随机行走。”
科研人员可以通过比较黑洞附近偏振的分布及其随时间的演化，来确认是否存在轴子引起的“裱花”图案的“舞蹈”。
EHT的偏振测量提供了4天的EVPA的高分辨率图像，这正是研究人员搜索轴子所需要的信息。
舒菁表示，利用“裱花”图样4天变化的不同情况，我们可以使轴子和光子之间的耦合突破到以前未曾探索的区域。“‘跳舞’是我们预言的轴子存在的信号形式，如果没有看到‘跳舞’的形式，就可以限制轴子的参数区间，比过去的限制都要强。”
论文作者之一、研究团队成员陈一帆说：“为了降低黑洞吸积流的湍流变化的不确定度，我们引入了一种新的分析策略，将两个连续天之间的差异作为观测量来限制轴子引起的EVPA变化。未来，通过更详细的数据，特别是更多的连续时间观测和更好的空间分辨率的数据，我们可以探测到更大的参数空间。”（实习记者 娄玉琳）