上海交大李政道学者及合作者共探黑洞周围的“麻花甜甜圈”之舞

责任编辑：靳小芊 

黑洞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和万有引力提供了丰富的信息。我们还能从这些美丽的图像中了解到什么？利用偏振图像的变化，包括中国科学院理论物理研究所陈一帆博士、舒菁教授以及上海交通大学李政道学者水野陽介（Yosuke Mizuno）在内的国际科学家团队一起，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，到达过去未曾探索过的区域。

2019年，结合地球各地望远镜的观测结果，EHT合作组织公布了一张分辨率极高的超大质量黑洞M87的照片。闪亮的甜甜圈状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合作组织更新了同一张照片，在原有基础上带来了更精细的结构。表示线偏振方向（EVPA）的纹理线，将甜甜圈拧出了麻花图样。这些有史以来最新的照片给出了黑洞的最直接证据，并揭示了M87外的磁场。

图片1：被轴子云包围的克尔黑洞的线偏振辐射图。电矢量位置角（EVPA）用不同颜色的线代表，从红色到紫色，代表了在轴子-光子耦合存在下EVPA的一个震荡周期内的时间变化。白色线是轴子场不存在时的EVPA。整体辐射强度由黑白表示并被归一化。

图片2：从M87的EHT偏振观测中得到的对无尺寸轴子-光子耦合的约束。黑洞自旋被假定为0.99或0.80。后一种情况对应于一个较小的轴子质量窗口，与黑洞自旋为0.99的情况限制的低质量区域重叠。底部的灰色带子代表五个不同的EVPA重建方法的不确定性。过去轴子-光子耦合的界限被显示出来以便比较。

陈一帆评论说：“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和可见光之间存在相互作用，它们会让麻花甜甜圈跳舞！ 利用麻花图样的四天变化，我们可以使轴子和光子之间的耦合突破到以前未曾探索的区域。"

如何把超大质量的黑洞转换成极轻粒子的探测器？这可以追溯到罗杰-彭罗斯1969年的一个思想实验。想象一下，有人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。它所携带的额外能量来自黑洞的旋转。当考虑量子力学中的波粒二象性后，我们可以用旋转黑洞外的波代替石头。它可以通过从黑洞中提取质量和角动量来形成密集的云，被称为超辐射机制。为了使这一过程足够快，玻色子的康普顿波长需要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！

在超越粒子物理学标准模型预言的各种极轻粒子中，轴子是最有希望的候选者之一。寻找轴子是粒子物理学的首要任务之一，轴子在弦理论等许多包含额外维度的基本理论被广泛预言存在。它也是一个完美的冷暗物质候选者。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的核所解决。

一旦极轻轴子存在于合适的质量窗口内，密集的轴子云和中心黑洞就会形成类似于氢原子的束缚态，被称为引力原子。 舒菁教授说。“除了纯粹的引力效应，轴子的存在也能使线偏振的方向产生额外的周期性旋转，周期在5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，麻花甜甜圈的舞蹈有一个特定的模式，而不是一个醉汉的随机行走。”

EHT的偏振测量提供了四天的线性偏振方向的高分辨率图像，正是我们搜索轴子所需要的信息。李政道学者水野陽介说：“为了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，将两个连续数据之间的差异作为观测量来限制轴子引起的电矢量位置角（EVPA）变化。通过未来提供的更详细的数据，特别是更多的连续时间观测和更好的空间分辨率，我们可以探测到更大的参数空间。”

论文信息: Yifan Chen, Yuxin Liu, Ru-Sen Lu, Yosuke Mizuno, Jing Shu, Xiao Xue, Qiang Yuan, Yue Zhao: Stringent axion constraints with Event Horizon Telescope polarimetric measurements of M87⋆. Nature Astronomy 2022, March 

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41550-022-01620-3

作者：李政道研究所

供稿单位：李政道研究所