2019年4月，事件視界望遠鏡（EHT）合作組首次對巨橢圓星系Messier 87中心的黑洞（M 87*）進行直接成像觀測，照片顯示了一個閃亮的甜甜圈狀結(jié)構(gòu)，引發(fā)了對黑洞物理、引力物理及新物理的研究熱潮。兩年后，EHT合作組發(fā)布了新的觀測結(jié)果，測量了黑洞輻射的偏振性質(zhì)，直接揭示了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、中科院理論物理研究所、美國猶他大學趙悅、李政道研究所/上海交通大學、上海天文臺等組成的研究團隊，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新的約束。近日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-天文學》上。  

　　超大質(zhì)量黑洞如何成為極輕粒子的探測器？這個思想可追溯到羅杰-彭羅斯提出的一個物理過程：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)能的過程稱超輻射。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，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，也是完美的冷暗物質(zhì)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(fā)生偏轉(zhuǎn)，類似磁場中的法拉第旋轉(zhuǎn)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。2019年，EHT公布首張黑洞照片時，研究團隊提出了探測軸子的方法（https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.061102）。 

　　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，同時存在時間上的振蕩，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，科研團隊將EHT的偏振觀測數(shù)據(jù)應用到軸子探測中，為了降低天體物理過程帶來的不確定度引入了新的分析策略，將兩個連續(xù)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(shù)據(jù)對質(zhì)量約10^-21—10^-20eV的軸子和光子的耦合強度給出了最嚴格的限制（圖2）。 

　　研究工作得到國家自然科學基金、中國博士后科學基金、中科院、江蘇省“雙創(chuàng)計劃”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。  

　　圖2.不同實驗對軸子質(zhì)量和軸子-光子耦合系數(shù)的限制。綠色陰影區(qū)域為EHT對M 87*偏振觀測排除的參數(shù)區(qū)間；其他陰影條帶為以往不同實驗手段排除的參數(shù)區(qū)間。