擁有極高空間分辨率的事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）讓人們第一次清晰地看到了黑洞視界附近發(fā)出的電磁輻射，輻射環(huán)內(nèi)部的陰影則是目前最直接的黑洞這一理論概念的證據(jù)。這次觀測(cè)的數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用在進(jìn)一步驗(yàn)證廣義相對(duì)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(tuán)隊(duì)獲得300萬美元的基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎(jiǎng)。

在最近的一項(xiàng)研究中，中國科學(xué)院理論物理研究所研究員舒菁（通訊作者）團(tuán)隊(duì)及其合作者指出，視界望遠(yuǎn)鏡不僅能給天體物理帶來了里程碑式的進(jìn)展，即將發(fā)布的偏振數(shù)據(jù)還有望探索超輕質(zhì)量軸子暗物質(zhì)的存在，從而對(duì)粒子物理領(lǐng)域也有著深刻的影響力。

根據(jù)廣義相對(duì)論的預(yù)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(gè)量級(jí)時(shí)，其波函數(shù)在旋轉(zhuǎn)的科爾黑洞周圍會(huì)被不斷放大。這些粒子從黑洞的自轉(zhuǎn)中提取能量，形成一個(gè)玻色云圍繞在黑洞周圍。這一過程被稱為超輻射。旋轉(zhuǎn)黑洞和玻色云組成的系統(tǒng)如同一個(gè)“引力原子”，原子核是旋轉(zhuǎn)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(xù)的，被廣泛考慮的情況是在提取了黑洞足夠角動(dòng)量后，剩余的黑洞自轉(zhuǎn)能不足以繼續(xù)超輻射過程。這種情況的假設(shè)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(dāng)玻色子的自相互作用足夠強(qiáng)，玻色云的能量密度會(huì)有一個(gè)上限，超過之后引力原子會(huì)發(fā)生崩塌，這一劇烈過程被稱為玻色新星，其名來源于凝聚態(tài)實(shí)驗(yàn)室里玻色-愛因斯坦凝聚的塌縮現(xiàn)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(gè)高密度的狀態(tài)。而視界望遠(yuǎn)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(chǎn)生的非相對(duì)論性軸子可以看成一個(gè)相干場(chǎng)，波函數(shù)隨著時(shí)間而振蕩。如果這個(gè)相干場(chǎng)和標(biāo)準(zhǔn)模型有耦合的話，會(huì)發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型的一些參數(shù)也會(huì)有極微小的振蕩。軸子作為一個(gè)贗標(biāo)量，對(duì)應(yīng)的也是在宇稱變換為奇變換的觀測(cè)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(qiáng)作用的膠子耦合外，軸子也能自然地與電磁場(chǎng)產(chǎn)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(huì)因此而振蕩。其振幅依賴于輻射發(fā)出點(diǎn)處的軸子密度，使得高速自轉(zhuǎn)黑洞周圍成了最理想的軸子探測(cè)目標(biāo)。

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

目前，視界望遠(yuǎn)鏡尚未發(fā)表偏振角的觀測(cè)數(shù)據(jù)。在過去的觀測(cè)中，合作組的子天文臺(tái)已經(jīng)顯示可以擁有3度的觀測(cè)精度。研究人員以此為準(zhǔn)，展望了在未來整個(gè)合作組的聯(lián)合觀測(cè)對(duì)軸子的參數(shù)空間能達(dá)到的限制（圖3），發(fā)現(xiàn)會(huì)比現(xiàn)有的限制高出不少數(shù)量級(jí)。

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

論文鏈接

圖1：軸子云波函數(shù)在徑向方向上的大小

圖2：同一時(shí)刻軸子引起的偏轉(zhuǎn)角偏移在黑洞赤道平面上的投影

圖3：視界望遠(yuǎn)鏡偏振觀測(cè)對(duì)軸子參數(shù)空間的預(yù)計(jì)探索空間，c正比于軸子和光子的無量綱的耦合強(qiáng)度

來源： 理論物理研究所