2019年，天文學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鏡合作組（EHT）觀測到的巨型星系Messier 87（M87）中的黑洞陰影圖像，為天文學和引力帶來了豐富的信息。“我們還能從這些美麗的圖像中了解到什麼？”這是中國科學院理論物理研究所研究員舒菁一直在思索的問題。

軸子引起偏振角“跳舞”（猶他大學物理系供圖）

近日，舒菁團隊聯合國內外研究團隊，利用偏振圖像的變化，對一種被稱為軸子的新粒子和可見光子之間的耦合給出了一個新的約束，到達過去未曾探索過的區域。該研究發表在最新一期的《自然—天文》雜誌。

用“最重”黑洞探尋“最輕”粒子

2019年，結合地球各地望遠鏡的觀測結果，EHT合作組織公佈了一張分辨率極高的超大質量黑洞M87的照片。

閃亮的“甜甜圈”狀結構來自於黑洞周圍吸積流的輻射——黑洞吞噬了中心區域的光線，在“甜甜圈”內形成了一個大陰影。兩年後，EHT合作組織更新了同一張照片，在原有基礎上帶來了更精細的結構——表示線偏振方向（EVPA）的紋理線，黑洞在線偏振光下的影響猶如“裱花”圖樣，被稱為“甜甜圈”的“裱花”版。

這些發現和照片給出了黑洞的最直接證據，並揭示了M87外的磁場。更重要的科學意義在於，黑洞的發現，為眾多的天體物理和基礎物理問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，著名數學家和物理學家羅傑·彭羅斯做過的一個思想實驗，他提出，即假設有人將一塊石頭扔進一個快速旋轉的黑洞，石頭有一定的機會以比之前更大的速度逃逸，而它所攜帶的額外能量來自黑洞的旋轉。

論文通訊作者舒菁告訴《中國科學報》，當考慮量子力學中的波粒二象性（粒子或量子同時具有粒子性和波動性）後，我們可以用旋轉黑洞外的波代替石頭。

“波可以通過從黑洞中提取角動量來形成密集的雲，這一過程被稱為超輻射機制。為了使這一過程發生，要求玻色子的康普頓波長與黑洞的視界大小相當。因此，超大質量黑洞成了極輕粒子的天然探測器！”舒菁說。

軸子驅動“跳舞”

“我們對極輕粒子可以在黑洞外聚集的想法很著迷。我們意識到，如果極輕的軸子存在，並且和與可見光之間存在相互作用，它們會讓裱花的’甜甜圈’跳舞！”舒菁說。

在2020年，舒菁團隊與合作者在《物理評論快報》發文，指出EHT的偏振數據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，該研究中也提出了軸子讓裱花的“甜甜圈”跳舞的理論方案。

事實上，在超越粒子物理學標準模型預言的各種極輕粒子中，軸子是最重要的候選者之一。尋找軸子是粒子物理學的首要任務之一，在許多基本理論如弦理論中被廣泛預言存在。軸子也是一個完美的冷暗物質“候選者”，因為在極輕質量窗口，星系的一些小尺度問題有可能被軸子在星系中心形成平坦的分佈所解決。

超大質量黑洞是探索黑洞附近軸子的一把“利器”。當最重天體與可能為最輕帶質量軸子結合時，會發生奇妙的現象。即輕質量的軸子在黑洞附近會形成一片雲，和黑洞組成引力原子系統。附著在黑洞視界周圍的軸子云，在不斷抽取黑洞自轉能的過程中，將達到非常高的密度，遠超過在太陽系附近的暗物質氣體。

“除了純粹的引力效應，軸子的存在也能使線偏振的方向產生額外的周期性旋轉，週期在5到20天之間。偏振角的變化表現為沿著明亮的光環方向傳播的波，這時，裱花圖案的舞蹈猶如有一個特定模式，而不是像’醉漢’的隨機行走。”舒菁告訴《中國科學報》。

論文作者之一、理論物理研究所博士後陳一帆解釋，所謂“跳舞”是指，“裱花”版黑洞以一個特定的形式震盪，在時間上以一個固定的周期旋轉，在空間上繞著甜甜圈的方向有一個特殊的舞步。“我們可以通過比較黑洞附近偏振的分佈及其隨時間的演化，來確認是否存在軸子引起的偏振角的’跳舞’。”

在該研究中，EHT連續4天測量了在M87附近發射的輻射線性偏振，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域。“’跳舞’是我們預言的軸子如果存在的信號形式，如果沒有看到’跳舞’的形式，可以限制軸子的參數區間，比過去的限制都要強。”

期待更多數據探測更多奧秘

“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，將兩個連續天之間的差異作為觀測量來限制軸子引起的線偏振方向變化。”陳一帆說，未來，通過提供更詳細的數據，特別是更多連續時間觀測和更好的空間分辨率，可以探測到更大的參數空間。

舒菁表示，這是第一次理論提出黑洞事件視界望遠鏡探測軸子這一超輕新粒子，並與合作者進行了實際觀測，是一項理論與實驗結合非常密切的研究。

“我非常樂意建議發表這篇論文。”審稿人給出高度評價，該研究對軸子—光子耦合常數的最終約束是迄今為止最嚴格的，比以前的界限高出1-2個數量級，這是對EHT數據的有力應用以解決當代粒子物理界感興趣的問題。所採用的技術策略可以在未來EHT所觀測的更高質量的M87數據，以及其他超大質量黑洞數據上。