軸子引起偏振角“跳舞”。猶他大學供圖2019年 天文學傢捕獲瞭首張黑洞照片 那張最著名的黑洞照片，又有重要發現！ - 趣味新聞網

軸子引起偏振角“跳舞”。猶他大學供圖

2019年，天文學傢捕獲瞭首張黑洞照片，震撼世界。這張由事件視界望遠鏡閤作組（EHT）觀測到的巨型星係Messier 87（M87）中的黑洞陰影圖像，為天文學研究帶來瞭豐富的信息。

“我們還能從這些美麗的圖像中瞭解到什麼？”這是中國科學院理論物理研究所（以下簡稱理論物理所）研究員舒菁一直在思索的問題。

近日，舒菁團隊聯閤國內外研究團隊，利用偏振圖像的變化，對一種被稱為軸子的新粒子和可見光子之間的耦閤給齣瞭一個新的約束。相關成果日前發錶於《自然―天文》。

用“最重”黑洞探尋“極輕”粒子

2019年，結閤地球各地望遠鏡的觀測結果，EHT公布瞭一張分辨率極高的超大質量黑洞M87的照片。

“甜甜圈”狀的結構來自於黑洞周圍吸積流的輻射――黑洞吞噬瞭中心區域的光綫，在“甜甜圈”內形成瞭一個大陰影。兩年後，EHT更新瞭一張照片，在原有基礎上展示瞭更精細的結構――錶示綫偏振方嚮的紋理綫，黑洞在綫偏振光下的圖像猶如裱花圖樣，被稱為“甜甜圈”的裱花版。

這些發現和照片給齣瞭黑洞的最直接證據，並揭示瞭M87外的磁場。更重要的是，黑洞的發現為眾多天體物理和基礎物理問題提供瞭全新的研究手段。比如，黑洞的直接成像可用作極輕粒子的“探針”。

著名數學傢和物理學傢羅傑・彭羅斯曾提齣，假設將一塊石頭扔進一個快速鏇轉的黑洞，石頭有一定的機會以比之前更大的速度逃逸，而它所攜帶的額外能量來自黑洞的鏇轉。

論文通訊作者舒菁告訴我們，當考慮量子力學中的波粒二象性（粒子或量子同時具有粒子性和波動性）後，人們可以用鏇轉黑洞外的波代替石頭。

“波可以通過從黑洞中提取角動量來形成密集的雲，這一過程被稱為超輻射機製。為瞭使這一過程發生，要求玻色子的康普頓波長與黑洞的視界大小相當。因此，超大質量黑洞成瞭極輕粒子的天然探測器！”舒菁說。

軸子驅動“跳舞”

“我們對極輕粒子可以在黑洞外聚集的想法很著迷。我們意識到，如果極輕的軸子存在，並且與可見光之間存在相互作用，它們會讓裱花的‘甜甜圈’‘跳舞’！”舒菁說。

2020年，舒菁團隊與閤作者在《物理評論快報》發文，指齣EHT的偏振數據有望探索超輕質量軸子暗物質的存在，從而對粒子物理領域産生深刻的影響。該研究中也提齣瞭軸子讓裱花的“甜甜圈”“跳舞”的理論方案。

事實上，在超越粒子物理學標準模型預言的各種極輕粒子中，軸子是最重要的候選者之一。尋找軸子是粒子物理學的重要任務之一，軸子在許多基本理論（如弦理論）中被廣泛預言存在。軸子也是一個完美的冷暗物質候選者，因為在極輕質量窗口，星係的一些小尺度問題有可能被軸子在星係中心形成平坦的分布所解決。

超大質量黑洞是探索黑洞附近軸子的一把“利器”。當最重天體與可能最輕的軸子結閤時，會發生奇妙的現象。即輕質量的軸子在黑洞附近會形成一片雲，和黑洞組成引力原子係統。附著在黑洞視界周圍的軸子雲，在不斷抽取黑洞自轉能的過程中，將達到非常高的密度，遠超過太陽係附近的暗物質氣體。

“除瞭純粹的引力效應，軸子的存在也能使綫偏振方嚮産生額外的周期性鏇轉，周期在5天到20天之間。偏振角的變化錶現為沿著明亮的光環方嚮傳播的波，這時，裱花圖案的‘舞蹈’似乎有一個特定模式，而不是像‘醉漢’那樣隨機行走。”舒菁告訴《中國科學報》。

論文作者之一、理論物理所博士後陳一帆解釋，所謂“跳舞”，是指裱花版黑洞以一個特定的形式震蕩，在時間上以一個固定的周期鏇轉，在空間上繞著“甜甜圈”的方嚮形成一種特殊的“舞步”。“我們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偏振角‘跳舞’。”

在該研究中，EHT連續4天測量瞭在M87附近發射的輻射綫性偏振，提供瞭綫性偏振方嚮的高分辨率圖像，這正是研究人員探索軸子所需要的信息。

舒菁錶示，利用裱花圖樣4天變化的不同情況，研究人員可以使軸子和光子之間的耦閤到達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’，就可以限製軸子的參數區間，比過去的限製都要強。”

期待探測更多奧秘

“為降低吸積流的湍流變化的不確定度，我們引入瞭一種新的分析策略，將兩個連續天之間的差異作為觀測量，來限製軸子引起的綫偏振方嚮變化。”陳一帆說，未來，通過更詳細的數據，特彆是更多連續時間觀測和更高的空間分辨率，可以探測到更大的參數空間。

舒菁錶示，這是第一次從理論上提齣用黑洞事件視界望遠鏡探測軸子這一超輕新粒子，並進行瞭實際觀測，是一項理論與實驗結閤得非常密切的研究。

審稿人認為，該研究對軸子―光子耦閤常數的最終約束是迄今為止最嚴格的，比以前的界限高齣1~2個數量級。為解決當代粒子物理界感興趣的問題，該研究對EHT數據進行瞭很好的應用。

《中國科學報》 (2022-03-29 第1版 要聞 原標題為《黑洞周圍的裱花“甜甜圈”會“跳舞”嗎》 )

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41550-022-01620-3

作者 ｜ 韓揚眉

編輯 | 趙路

排版 | 誌海

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來源：中國科學報

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