2019年4月，事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）合作組首次對(duì)巨橢圓星系Messier 87中心的黑洞（M 87*）進(jìn)行直接成像觀測(cè)，照片顯示了一個(gè)閃亮的甜甜圈狀結(jié)構(gòu)，引發(fā)了對(duì)黑洞物理、引力物理及新物理的研究熱潮。兩年后，EHT合作組發(fā)布了新的觀測(cè)結(jié)果，測(cè)量了黑洞輻射的偏振性質(zhì)，直接揭示了M 87*外圍的磁場(chǎng)分布，在“甜甜圈”上增加了一個(gè)裱花的圖樣。  

　　利用EHT的偏振圖像，中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)、中科院理論物理研究所、美國(guó)猶他大學(xué)趙悅、李政道研究所/上海交通大學(xué)、上海天文臺(tái)等組成的研究團(tuán)隊(duì)，對(duì)一種被稱為軸子的新物理粒子和光子之間的耦合強(qiáng)度給出新的約束。近日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-天文學(xué)》上。  

　　超大質(zhì)量黑洞如何成為極輕粒子的探測(cè)器？這個(gè)思想可追溯到羅杰-彭羅斯提出的一個(gè)物理過(guò)程：自旋為整數(shù)的玻色粒子可以從旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)能的過(guò)程稱超輻射。當(dāng)玻色子的康普頓波長(zhǎng)和黑洞視界大小相當(dāng)時(shí)，這一過(guò)程尤為有效。自然界中，可能存在一類超輕的贗標(biāo)量粒子——軸子（贗標(biāo)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(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的各種極輕粒子中，軸子是最有希望的候選者之一，也是完美的冷暗物質(zhì)候選者。理論預(yù)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(chǎng)中會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，類似磁場(chǎng)中的法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。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(gè)效應(yīng)，EHT的極高分辨率偏振成像觀測(cè)將是檢驗(yàn)這一理論的極佳實(shí)驗(yàn)。2019年，EHT公布首張黑洞照片時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)提出了探測(cè)軸子的方法（https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.061102）。 

　　軸子云導(dǎo)致的偏振角變化具有獨(dú)特的時(shí)空特征，隨著繞黑洞的方位角不同而變化，同時(shí)存在時(shí)間上的振蕩，表現(xiàn)得像裱花的圖案按照某特定節(jié)奏在跳舞，可區(qū)別于天體物理背景（圖1）。該工作中，科研團(tuán)隊(duì)將EHT的偏振觀測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用到軸子探測(cè)中，為了降低天體物理過(guò)程帶來(lái)的不確定度引入了新的分析策略，將兩個(gè)連續(xù)兩天之間的差異作為觀測(cè)量以更靈敏地探測(cè)由軸子引起的偏振角變化。EHT的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)質(zhì)量約10^-21—10^-20eV的軸子和光子的耦合強(qiáng)度給出了最嚴(yán)格的限制（圖2）。 

　　研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金、中科院、江蘇省“雙創(chuàng)計(jì)劃”等的支持。  

　　論文鏈接 

　　圖1.被軸子云包圍的旋轉(zhuǎn)黑洞的線偏振輻射位置角變化。白線表示沒(méi)有軸子場(chǎng)時(shí)的電矢量位置角，其長(zhǎng)度代表線偏振輻射強(qiáng)度，灰線表示軸子場(chǎng)導(dǎo)致的位置角振蕩。圖片加工于EHT給出的M 87*照片。  

　　圖2.不同實(shí)驗(yàn)對(duì)軸子質(zhì)量和軸子-光子耦合系數(shù)的限制。綠色陰影區(qū)域?yàn)镋HT對(duì)M 87*偏振觀測(cè)排除的參數(shù)區(qū)間；其他陰影條帶為以往不同實(shí)驗(yàn)手段排除的參數(shù)區(qū)間。