2019年，天文學(xué)家捕獲了首張黑洞照片，為世界震撼。這是由黑洞事件視界望遠(yuǎn)鏡合作組（EHT）觀測(cè)到的巨型星系Messier 87（M87）中的黑洞陰影圖像，為天文學(xué)和引力帶來(lái)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(guó)科學(xué)院理論物理研究所研究員舒菁一直在思索的問(wèn)題。

近日，舒菁團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)，利用偏振圖像的變化，對(duì)一種被稱(chēng)為軸子的新粒子和可見(jiàn)光子之間的耦合給出了一個(gè)新的約束，到達(dá)過(guò)去未曾探索過(guò)的區(qū)域。該研究發(fā)表在最新一期的《自然—天文》雜志。

用“最重”黑洞探尋“最輕”粒子

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

閃亮的“甜甜圈”狀結(jié)構(gòu)來(lái)自于黑洞周?chē)e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合作組織更新了同一張照片，在原有基礎(chǔ)上帶來(lái)了更精細(xì)的結(jié)構(gòu)——表示線偏振方向（EVPA）的紋理線，黑洞在線偏振光下的影響?yīng)q如“裱花”圖樣，被稱(chēng)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(chǎng)。更重要的科學(xué)意義在于，黑洞的發(fā)現(xiàn)，為眾多的天體物理和基礎(chǔ)物理問(wèn)題提供了全新的研究手段。

比如黑洞的直接成像將可以用作極輕粒子的“探針”。

1969年，著名數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家羅杰·彭羅斯做過(guò)的一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，他提出，即假設(shè)有人將一塊石頭扔進(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(lái)自黑洞的旋轉(zhuǎn)。

論文通訊作者舒菁告訴《中國(guó)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，我們可以用旋轉(zhuǎn)黑洞外的波代替石頭。

“波可以通過(guò)從黑洞中提取角動(dòng)量來(lái)形成密集的云，這一過(guò)程被稱(chēng)為超輻射機(jī)制。為了使這一過(guò)程發(fā)生，要求玻色子的康普頓波長(zhǎng)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(cè)器!”舒菁說(shuō)。

軸子驅(qū)動(dòng)“跳舞”

“我們對(duì)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，并且和與可見(jiàn)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(shuō)。

在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(duì)粒子物理領(lǐng)域也有著深刻的影響力，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)的首要任務(wù)之一，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(wèn)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)最重天體與可能為最輕帶質(zhì)量軸子結(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?chē)妮S子云，在不斷抽取黑洞自轉(zhuǎn)能的過(guò)程中，將達(dá)到非常高的密度，遠(yuǎn)超過(guò)在太陽(yáng)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的方向產(chǎn)生額外的周期性旋轉(zhuǎn)，周期在5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)，裱花圖案的舞蹈猶如有一個(gè)特定模式，而不是像‘醉漢’的隨機(jī)行走。”舒菁告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

論文作者之一、理論物理研究所博士后陳一帆解釋?zhuān)^“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有一個(gè)特殊的舞步。“我們可以通過(guò)比較黑洞附近偏振的分布及其隨時(shí)間的演化，來(lái)確認(rèn)是否存在軸子引起的偏振角的‘跳舞’。”

在該研究中，EHT連續(xù)4天測(cè)量了在M87附近發(fā)射的輻射線性偏振，提供了4天的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，我們可以使軸子和光子之間的耦合突破到以前未曾探索的區(qū)域。“‘跳舞’是我們預(yù)言的軸子如果存在的信號(hào)形式，如果沒(méi)有看到‘跳舞’的形式，可以限制軸子的參數(shù)區(qū)間，比過(guò)去的限制都要強(qiáng)。”

期待更多數(shù)據(jù)探測(cè)更多奧秘

“為了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(cè)量來(lái)限制軸子引起的線偏振方向變化。”陳一帆說(shuō)，未來(lái)，通過(guò)提供更詳細(xì)的數(shù)據(jù)，特別是更多連續(xù)時(shí)間觀測(cè)和更好的空間分辨率，可以探測(cè)到更大的參數(shù)空間。

舒菁表示，這是第一次理論提出黑洞事件視界望遠(yuǎn)鏡探測(cè)軸子這一超輕新粒子，并與合作者進(jìn)行了實(shí)際觀測(cè)，是一項(xiàng)理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合非常密切的研究。

“我非常樂(lè)意建議發(fā)表這篇論文。”審稿人給出高度評(píng)價(jià)，該研究對(duì)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)，這是對(duì)EHT數(shù)據(jù)的有力應(yīng)用以解決當(dāng)代粒子物理界感興趣的問(wèn)題。所采用的技術(shù)策略可以在未來(lái)EHT所觀測(cè)的更高質(zhì)量的M87數(shù)據(jù)，以及其他超大質(zhì)量黑洞數(shù)據(jù)上。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41550-022-01620-3