重大突破

　　2019年4月事件视界望远镜（EHT）合作组首次成功地对巨椭圆星系Messier 87中心的黑洞（M 87*）进行了直接成像观测，照片显示了一个闪亮的甜甜圈状结构，引发了对黑洞物理、引力物理以及新物理的研究热潮。两年后，EHT合作组发布了新的观测结果，测量了黑洞辐射的偏振性质，直接揭示出M 87*外围的磁场分布，在甜甜圈上增加了一个裱花的图样。

　　利用EHT的偏振图像，中国科学院紫金山天文台袁强与理论物理研究所舒菁、陈一帆、薛潇、刘雨鑫、犹他大学赵悦、李政道研究所/上海交通大学Yosuke Mizuno、上海天文台路如森等人组成的研究团队对一种被称为轴子的新物理粒子和光子之间的耦合强度给出了新的约束，相关研究论文近日发表于《自然-天文学》期刊。

　　超大质量黑洞是如何成为极轻粒子的探测器呢？这个思想可以追溯到罗杰-彭罗斯提出的一个物理过程：自旋为整数的玻色粒子可以从旋转黑洞中提取能量，形成围绕黑洞的高密度玻色云块。玻色子提取黑洞旋转能的过程称作超辐射。当玻色子的康普顿波长和黑洞视界大小相当时，这一过程尤为有效。自然界中有可能存在一类超轻的赝标量粒子——轴子（赝标量粒子是一类自旋为0却不满足宇称守恒的粒子）。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，同时也是完美的冷暗物质候选者。理论预期轴子和光子之间存在微弱的相互作用，其中一种效果就是线偏振光的偏振面在轴子场中会发生偏转，类似磁场中的法拉第旋转效应。而黑洞周围如果形成致密的轴子云将可以显著地放大这个效应，EHT的极高分辨率偏振成像观测将是检验这一理论的极佳实验。在2019年EHT公布首张黑洞照片的时候，本研究团队就提出了这一探测轴子的方法（https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.061102）。

图1. 被轴子云包围的旋转黑洞的线偏振辐射位置角变化。白线表示没有轴子场时的电矢量位置角，其长度代表线偏振辐射强度，灰线表示轴子场导致的位置角振荡。图片加工于EHT给出的M 87*照片。

　　轴子云导致的偏振角变化具有独特的时空特征，随着绕黑洞的方位角不同而变化，同时还存在时间上的振荡，表现得就像裱花的图案按照某特定节奏在跳舞，可以区别于天体物理背景（图1）。在该工作中，研究团队将EHT的偏振观测数据应用到轴子探测中来，特别是为了降低天体物理过程带来的不确定度引入了一种新的分析策略，将两个连续两天之间的差异作为观测量以更灵敏地探测由轴子引起的偏振角变化。EHT的观测数据对质量约10^-21—10^-20eV的轴子和光子的耦合强度给出了最为严格的限制（图2）。

图2. 不同实验对轴子质量和轴子-光子耦合系数的限制。绿色阴影区域为EHT对M 87*偏振观测排除的参数区间；其它阴影条带为以往不同实验手段排除的参数区间。

　　该工作得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金、中国科学院、江苏省双创计划等的资助。

　　文章链接：https://www.nature.com/articles/s41550-022-01620-3