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    我国学者提出利用事件视界望远镜黑洞偏振观测探索轴子的新方法

    日期 2020-03-05   来源:数理科学部   作者:刘强 袁强  【 】   【打印】   【关闭

    图1. 某一时刻轴子所引起的偏振角偏转在黑洞赤道平面的投影

    图2. 利用EHT对黑洞的偏振观测预期能够探索的轴子参数区间(绿色对应于M87,红色对应于银心)以及和地面实验CAST及超新星1987A得到的结果(浅色阴影区间)比较

      在国家自然科学基金项目(批准号:11690022,11722328,11851302,11851305,11947302,11675243,11761141011)资助下,中国科学院理论物理研究所、紫金山天文台、美国犹他大学等单位的研究人员合作,提出利用事件视界望远镜(EHT)对黑洞高分辨率的偏振成像观测来探测一类非常轻的被称作轴子的新粒子。研究成果以“利用事件视界望远镜偏振观测探索轴子(Probing Axions with Event Horizon Telescope Polarimetric Measurements)”为题,于2020年2月14日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)期刊上,论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.061102。

      轴子是1977年由佩奇(Peccei)和奎恩(Quinn)为解决强CP问题而提出来的一种假想粒子。轴子是一种寿命长、不带电的粒子,可用于解释宇宙中的暗物质。通过地面实验和天文学观测寻找轴子及其推广的类轴子粒子成为近年来粒子物理和宇宙学领域的前沿热点课题。

      轴子有一个关键的性质,它们除了和强作用的胶子耦合外,也能自然地与电磁场产生相互作用,使在轴子场中传播的偏振光子的偏振角发生旋转。该性质类似于磁场中的法拉第旋光效应。在这项研究中,研究者提出通过EHT观测黑洞的偏振成像方法将有望发现轴子粒子存在的信号。

      根据广义相对论的预言,如果存在足够轻的玻色子(例如轴子),当康普顿波长和黑洞视界半径相当时,其波函数在旋转的克尔黑洞周围会被不断放大。这些粒子从黑洞的自转中提取能量,形成一个玻色子云围绕在黑洞周围。这一过程被称为超辐射。旋转黑洞和玻色云组成的系统如同一个“引力原子”,其“原子核”是旋转黑洞,相互作用则是引力。黑洞吸积盘发射的偏振光子在致密的轴子云中传播会改变其偏振角。处于量子相干态的轴子场会随时间振荡,该偏振角也将不断变化,其变化频率依赖于轴子的质量。除了时间振荡外,绕着黑洞自转轴的转角不同也会带来一个偏振角的变化(图1)。这种时间上的周期性振荡和空间上的变化图样成为探索轴子的独特信号。因此,通过EHT望远镜观测黑洞吸积盘偏振辐射图样及其随时间的变化可探索轴子这样的新物理粒子。图2是该研究通过EHT的偏振观测预期能够探索的轴子质量及与光子耦合强度的二维参数区间。

      该项工作首次提出了直接探测黑洞轴子云的方法,也是对新的、极致的天文观测技术应用的重要拓展。可以预见,未来基于该方法对EHT偏振观测数据开展的针对性分析将对黑洞轴子云的探索,以及相关的粒子物理、黑洞物理、宇宙学等诸多领域产生广泛的影响。




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