用“甜甜圈裱花”的“舞蹈”寻找极轻粒子

利用超大质量黑洞寻找极轻粒子

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。

轴子让黑洞“裱花”按特定模式“舞蹈”

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）