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紫金山天文臺等利用事件視界望遠鏡黑洞偏振成像在軸子探測方面取得進展

  2019年4月事件視界望遠鏡(EHT)合作組首次成功地對巨橢圓星系Messier 87中心的黑洞(M 87*)進行了直接成像觀測,照片顯示了一個閃亮的甜甜圈狀結構,引發了對黑洞物理、引力物理以及新物理的研究熱潮。兩年后,EHT合作組發布了新的觀測結果,測量了黑洞輻射的偏振性質,直接揭示出M 87*外圍的磁場分布,在甜甜圈上增加了一個裱花的圖樣。

  利用EHT的偏振圖像,中國科學院紫金山天文臺袁強與理論物理研究所舒菁、陳一帆、薛瀟、劉雨鑫、猶他大學趙悅、李政道研究所/上海交通大學Yosuke Mizuno、上海天文臺路如森等人組成的研究團隊對一種被稱為軸子的新物理粒子和光子之間的耦合強度給出了新的約束,相關研究論文近日發表于《自然-天文學》期刊。

  超大質量黑洞是如何成為極輕粒子的探測器呢?這個思想可以追溯到羅杰-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稱作超輻射。當玻色子的康普頓波長和黑洞視界大小相當時,這一過程尤為有效。自然界中有可能存在一類超輕的贗標量粒子——軸子(贗標量粒子是一類自旋為0卻不滿足宇稱守恒的粒子)。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,同時也是完美的冷暗物質候選者。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可以顯著地放大這個效應,EHT的極高分辨率偏振成像觀測將是檢驗這一理論的極佳實驗。在2019年EHT公布首張黑洞照片的時候,本研究團隊就提出了這一探測軸子的方法(https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.061102)。


圖1. 被軸子云包圍的旋轉黑洞的線偏振輻射位置角變化。白線表示沒有軸子場時的電矢量位置角,其長度代表線偏振輻射強度,灰線表示軸子場導致的位置角振蕩。圖片加工于EHT給出的M 87*照片。

  軸子云導致的偏振角變化具有獨特的時空特征,隨著繞黑洞的方位角不同而變化,同時還存在時間上的振蕩,表現得就像裱花的圖案按照某特定節奏在跳舞,可以區別于天體物理背景(圖1)。在該工作中,研究團隊將EHT的偏振觀測數據應用到軸子探測中來,特別是為了降低天體物理過程帶來的不確定度引入了一種新的分析策略,將兩個連續兩天之間的差異作為觀測量以更靈敏地探測由軸子引起的偏振角變化。EHT的觀測數據對質量約10-21—10-20eV的軸子和光子的耦合強度給出了最為嚴格的限制(圖2)。


圖2. 不同實驗對軸子質量和軸子-光子耦合系數的限制。綠色陰影區域為EHT對M 87*偏振觀測排除的參數區間;其它陰影條帶為以往不同實驗手段排除的參數區間。

  該工作得到了國家自然科學基金、中國博士后科學基金、中國科學院、江蘇省雙創計劃等的資助。

  文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41550-022-01620-3

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