2019 年，天文學(xué)家捕獲了首張黑洞照片，震撼世界。這張由事件視界望遠(yuǎn)鏡合作組(EHT)觀測到的巨型星系 Messier 87(M87)中的黑洞陰影圖像，為天文學(xué)研究帶來了豐富的信息。

　　“我們還能從這些美麗的圖像中了解到什么?”這是中國科學(xué)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(tuán)隊(duì)聯(lián)合國內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)，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合給出了一個(gè)新的約束。相關(guān)成果日前發(fā)表于《自然—天文》。

　　用“最重”黑洞探尋“極輕”粒子

　　2019 年，結(jié)合地球各地望遠(yuǎn)鏡的觀測結(jié)果，EHT 公布了一張分辨率極高的超大質(zhì)量黑洞 M87 的照片。

　　“甜甜圈”狀的結(jié)構(gòu)來自于黑洞周圍吸積流的輻射——黑洞吞噬了中心區(qū)域的光線，在“甜甜圈”內(nèi)形成了一個(gè)大陰影。兩年后，EHT 更新了一張照片，在原有基礎(chǔ)上展示了更精細(xì)的結(jié)構(gòu)——表示線偏振方向的紋理線，黑洞在線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(fā)現(xiàn)和照片給出了黑洞的最直接證據(jù)，并揭示了 M87 外的磁場。更重要的是，黑洞的發(fā)現(xiàn)為眾多天體物理和基礎(chǔ)物理問題提供了全新的研究手段。比如，黑洞的直接成像可用作極輕粒子的“探針”。

　　著名數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家羅杰·彭羅斯曾提出，假設(shè)將一塊石頭扔進(jìn)一個(gè)快速旋轉(zhuǎn)的黑洞，石頭有一定的機(jī)會(huì)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旋轉(zhuǎn)。

　　論文通訊作者舒菁告訴《中國科學(xué)報(bào)》，當(dāng)考慮量子力學(xué)中的波粒二象性(粒子或量子同時(shí)具有粒子性和波動(dòng)性)后，人們可以用旋轉(zhuǎn)黑洞外的波代替石頭。

　　“波可以通過從黑洞中提取角動(dòng)量來形成密集的云，這一過程被稱為超輻射機(jī)制。為了使這一過程發(fā)生，要求玻色子的康普頓波長與黑洞的視界大小相當(dāng)。因此，超大質(zhì)量黑洞成了極輕粒子的天然探測器!”舒菁說。

　　軸子驅(qū)動(dòng)“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(shí)到，如果極輕的軸子存在，并且與可見光之間存在相互作用，它們會(huì)讓裱花的‘甜甜圈’‘跳舞’!”舒菁說。

　　2020 年，舒菁團(tuán)隊(duì)與合作者在《物理評(píng)論快報(bào)》發(fā)文，指出 EHT 的偏振數(shù)據(jù)有望探索超輕質(zhì)量軸子暗物質(zhì)的存在，從而對粒子物理領(lǐng)域產(chǎn)生深刻的影響。該研究中也提出了軸子讓裱花的“甜甜圈”“跳舞”的理論方案。

　　事實(shí)上，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，軸子是最重要的候選者之一。尋找軸子是粒子物理學(xué)的重要任務(wù)之一，軸子在許多基本理論(如弦理論)中被廣泛預(yù)言存在。軸子也是一個(gè)完美的冷暗物質(zhì)候選者，因?yàn)樵跇O輕質(zhì)量窗口，星系的一些小尺度問題有可能被軸子在星系中心形成平坦的分布所解決。

　　超大質(zhì)量黑洞是探索黑洞附近軸子的一把“利器”。當(dāng)最重天體與可能最輕的軸子結(jié)合時(shí)，會(huì)發(fā)生奇妙的現(xiàn)象。即輕質(zhì)量的軸子在黑洞附近會(huì)形成一片云，和黑洞組成引力原子系統(tǒng)。附著在黑洞視界周圍的軸子云，在不斷抽取黑洞自轉(zhuǎn)能的過程中，將達(dá)到非常高的密度，遠(yuǎn)超過太陽系附近的暗物質(zhì)氣體。

　　“除了純粹的引力效應(yīng)，軸子的存在也能使線偏振方向產(chǎn)生額外的周期性旋轉(zhuǎn)，周期在 5 天到 20 天之間。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’似乎有一個(gè)特定模式，而不是像‘醉漢’那樣隨機(jī)行走。”舒菁告訴《中國科學(xué)報(bào)》。

　　論文作者之一、理論物理所博士后陳一帆解釋，所謂“跳舞”，是指裱花版黑洞以一個(gè)特定的形式震蕩，在時(shí)間上以一個(gè)固定的周期旋轉(zhuǎn)，在空間上繞著“甜甜圈”的方向形成一種特殊的“舞步”。“我們可以通過比較黑洞附近偏振的分布及其隨時(shí)間的演化，來確認(rèn)是否存在軸子引起的偏振角‘跳舞’。”

　　在該研究中，EHT 連續(xù) 4 天測量了在 M87 附近發(fā)射的輻射線性偏振，提供了線性偏振方向的高分辨率圖像，這正是研究人員探索軸子所需要的信息。

　　舒菁表示，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合到達(dá)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，如果沒有看到‘跳舞’，就可以限制軸子的參數(shù)區(qū)間，比過去的限制都要強(qiáng)。”

　　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量，來限制軸子引起的線偏振方向變化。”陳一帆說，未來，通過更詳細(xì)的數(shù)據(jù)，特別是更多連續(xù)時(shí)間觀測和更高的空間分辨率，可以探測到更大的參數(shù)空間。

　　舒菁表示，這是第一次從理論上提出用黑洞事件視界望遠(yuǎn)鏡探測軸子這一超輕新粒子，并進(jìn)行了實(shí)際觀測，是一項(xiàng)理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合得非常密切的研究。

　　審稿人認(rèn)為，該研究對軸子—光子耦合常數(shù)的最終約束是迄今為止最嚴(yán)格的，比以前的界限高出1~2 個(gè)數(shù)量級(jí)。為解決當(dāng)代粒子物理界感興趣的問題，該研究對 EHT 數(shù)據(jù)進(jìn)行了很好的應(yīng)用。
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