轴子引起偏振角“跳舞”。犹他大学供图

2019年，天文学家捕获了首张黑洞照片，震撼世界。这张由事件视界望远镜合作组（EHT）观测到的巨型星系Messier 87（M87）中的黑洞阴影图像，为天文学研究带来了丰富的信息。

“我们还能从这些美丽的图像中了解到什么？”这是中国科学院理论物理研究所（以下简称理论物理所）研究员舒菁一直在思索的问题。

近日，舒菁团队联合国内外研究团队，利用偏振图像的变化，对一种被称为轴子的新粒子和可见光子之间的耦合给出了一个新的约束。相关成果日前发表于《自然—天文》。

用“最重”黑洞探寻“极轻”粒子

2019年，结合地球各地望远镜的观测结果，EHT公布了一张分辨率极高的超大质量黑洞M87的照片。

“甜甜圈”状的结构来自于黑洞周围吸积流的辐射——黑洞吞噬了中心区域的光线，在“甜甜圈”内形成了一个大阴影。两年后，EHT更新了一张照片，在原有基础上展示了更精细的结构——表示线偏振方向的纹理线，黑洞在线偏振光下的图像犹如裱花图样，被称为“甜甜圈”的裱花版。

这些发现和照片给出了黑洞的最直接证据，并揭示了M87外的磁场。更重要的是，黑洞的发现为众多天体物理和基础物理问题提供了全新的研究手段。比如，黑洞的直接成像可用作极轻粒子的“探针”。

著名数学家和物理学家罗杰·彭罗斯曾提出，假设将一块石头扔进一个快速旋转的黑洞，石头有一定的机会以比之前更大的速度逃逸，而它所携带的额外能量来自黑洞的旋转。

论文通讯作者舒菁告诉《中国科学报》，当考虑量子力学中的波粒二象性（粒子或量子同时具有粒子性和波动性）后，人们可以用旋转黑洞外的波代替石头。

“波可以通过从黑洞中提取角动量来形成密集的云，这一过程被称为超辐射机制。为了使这一过程发生，要求玻色子的康普顿波长与黑洞的视界大小相当。因此，超大质量黑洞成了极轻粒子的天然探测器！”舒菁说。

轴子驱动“跳舞”

“我们对极轻粒子可以在黑洞外聚集的想法很着迷。我们意识到，如果极轻的轴子存在，并且与可见光之间存在相互作用，它们会让裱花的‘甜甜圈’‘跳舞’！”舒菁说。

2020年，舒菁团队与合作者在《物理评论快报》发文，指出EHT的偏振数据有望探索超轻质量轴子暗物质的存在，从而对粒子物理领域产生深刻的影响。该研究中也提出了轴子让裱花的“甜甜圈”“跳舞”的理论方案。

事实上，在超越粒子物理学标准模型预言的各种极轻粒子中，轴子是最重要的候选者之一。寻找轴子是粒子物理学的重要任务之一，轴子在许多基本理论（如弦理论）中被广泛预言存在。轴子也是一个完美的冷暗物质候选者，因为在极轻质量窗口，星系的一些小尺度问题有可能被轴子在星系中心形成平坦的分布所解决。

超大质量黑洞是探索黑洞附近轴子的一把“利器”。当最重天体与可能最轻的轴子结合时，会发生奇妙的现象。即轻质量的轴子在黑洞附近会形成一片云，和黑洞组成引力原子系统。附着在黑洞视界周围的轴子云，在不断抽取黑洞自转能的过程中，将达到非常高的密度，远超过太阳系附近的暗物质气体。

“除了纯粹的引力效应，轴子的存在也能使线偏振方向产生额外的周期性旋转，周期在5天到20天之间。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’似乎有一个特定模式，而不是像‘醉汉’那样随机行走。”舒菁告诉《中国科学报》。

论文作者之一、理论物理所博士后陈一帆解释，所谓“跳舞”，是指裱花版黑洞以一个特定的形式震荡，在时间上以一个固定的周期旋转，在空间上绕着“甜甜圈”的方向形成一种特殊的“舞步”。“我们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偏振角‘跳舞’。”

在该研究中，EHT连续4天测量了在M87附近发射的辐射线性偏振，提供了线性偏振方向的高分辨率图像，这正是研究人员探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，研究人员可以使轴子和光子之间的耦合到达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’，就可以限制轴子的参数区间，比过去的限制都要强。”

期待探测更多奥秘

“为降低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，来限制轴子引起的线偏振方向变化。”陈一帆说，未来，通过更详细的数据，特别是更多连续时间观测和更高的空间分辨率，可以探测到更大的参数空间。

舒菁表示，这是第一次从理论上提出用黑洞事件视界望远镜探测轴子这一超轻新粒子，并进行了实际观测，是一项理论与实验结合得非常密切的研究。

审稿人认为，该研究对轴子—光子耦合常数的最终约束是迄今为止最严格的，比以前的界限高出1~2个数量级。为解决当代粒子物理界感兴趣的问题，该研究对EHT数据进行了很好的应用。