多團隊聯合研究利用視界望遠鏡的偏振觀測探索軸子

　　擁有極高空間分辨率的事件視界望遠鏡（EHT）讓人們第一次清晰地看到了黑洞視界附近發出的電磁輻射，輻射環內部的陰影則是目前最直接的黑洞這一理論概念的證據。這次觀測的數據被廣泛應用在進一步驗證廣義相對論和黑洞物理、研究極端條件下的物理過程。同年9月份EHT團隊獲得300萬美元的基礎物理學突破獎。

　　在最近的一項研究中，中國科學院理論物理研究所研究員舒菁團隊、中國科學院紫金山天文臺研究員袁強及其合作者指出，視界望遠鏡不僅給天體物理帶來了里程碑式的進展，即將發布的偏振數據還有望探索超輕質量軸子暗物質的存在，從而對粒子物理領域也有著深刻的影響力。

　　根據廣義相對論的預言，如果存在足夠輕的玻色子，其康普頓波長和黑洞視界半徑在一個量級時，其波函數在旋轉的科爾黑洞周圍會被不斷放大。這些粒子從黑洞的自轉中提取能量，形成一個玻色云圍繞在黑洞周圍。這一過程被稱為超輻射。旋轉黑洞和玻色云組成的系統如同一個“引力原子”，原子核是旋轉黑洞，相互作用則是引力。

　　值得一提的是，這種超輻射過程并不是能永久持續的，被廣泛考慮的情況是在提取了黑洞足夠角動量后，剩余的黑洞自轉能不足以繼續超輻射過程。這種情況的假設是玻色子之間的相互作用足夠小到在超輻射中一直可以被忽略。當玻色子的自相互作用足夠強，玻色云的能量密度會有一個上限，超過之后引力原子會發生崩塌，這一劇烈過程被稱為玻色新星，其名來源于凝聚態實驗室里玻色-愛因斯坦凝聚的塌縮現象。塌縮后的引力原子將拋出外層的輕粒子，之后超輻射過程將再次開啟，這一周期性的過程使靠近黑洞視界的輕粒子維持在一個高密度的狀態。而視界望遠鏡看到的光圈位置r_ring，則正處于玻色云密度最高處r_max的附近（圖1）。

　　如何尋找這些可能附著在黑洞周圍的軸子？超輻射產生的非相對論性軸子可以看成一個相干場，波函數隨著時間而振蕩。如果這個相干場和標準模型有耦合的話，會發現標準模型的一些參數也會有極微小的振蕩。軸子作為一個贗標量，對應的也是在宇稱變換為奇變換的觀測量，比如軸子膠子耦合帶來的中子的電偶極矩振蕩。除了和強作用的膠子耦合外，軸子也能自然地與電磁場產生相互作用。如果一束偏振光從軸子云中輻射出來，其偏振角會因此而振蕩。其振幅依賴于輻射發出點處的軸子密度，使得高速自轉黑洞周圍成了最理想的軸子探測目標。

　　除了時間振蕩外，還可以比較不同位置處的輻射的偏轉角的振蕩。由于超輻射產生的玻色云攜帶和黑洞自轉方向相同的角動量，其波函數在黑洞經度角方向上也會存在相位差（圖2）：不同位置處偏轉角振蕩的振幅還可以用來分析玻色云系統能量密度的分布。

　　目前，視界望遠鏡尚未發表偏振角的觀測數據。在過去的觀測中，合作組的子天文臺已經顯示可以擁有3度的觀測精度。研究人員以此為準，展望了在未來整個合作組的聯合觀測對軸子的參數空間能達到的限制（圖3），發現會比現有的限制高出不少數量級。

　　該研究成果近日發表在《物理評論快報》（Phys.Rev.Lett. 124 (2020) 061102）上。該項研究得到國家自然科學基金重大項目、面上項目、中國以色列國際合作項目、理論物理專款“彭桓武理論物理創新研究中心”和中科院戰略先導科技專項(B)的支持。

圖1：軸子云波函數在徑向方向上的大小

圖2：同一時刻軸子引起的偏轉角偏移在黑洞赤道平面上的投影

圖3：視界望遠鏡偏振觀測對軸子參數空間的預計探索空間，c正比于軸子和光子的無量綱的耦合強度