宇宙最大黑洞|用最重的黑洞去探测最轻的粒子？( 二 )
让我们将视线转到基本物理领域的另一方面 ， 和描述天体物理宇宙学的广义相对论共同组成我们这个世界最精确基本规律的粒子物理 。 通过近半个世纪高能物理的发展 ， 粒子物理标准模型一次又一次被实验验证 ， 取得了巨大成功 。 在2012年希格斯玻色子被发现后更是达到了顶峰 。
然而 ， 这一看似完美的大厦却仍有几根支柱摇摇欲晃 。 其中之一就是著名的强CP问题 ， 即基本作用力之一的强相互作用QCD中没有理由在电荷C宇称和空间P宇称同时变换下保持不变 ， 但是中子电偶极矩的测量却显示CP破缺的相角作为一个常数极小无比 。 此类拥有不自然的极小参数在粒子物理中被称为精细调节问题 ， 一直被当作探索新物理的依据之一 。 解决强CP问题最简单的解决方案就是引入被称为轴子的玻色粒子 ， 在1977年由Peccei和Quinn提出 ， 通过轴子和胶子的耦合将CP破缺相角自然地拖拽到零 。 此外 ， 轴子也是暗物质的最热门候选者之一 ， 且在一些量子引力理论比如弦论中被广泛地预言存在 。 不同于对撞机对高能粒子的探索 ， 这一类轴子拥有较轻的质量以及极弱的相互作用 ， 因而更适合在一些小型实验中通过精细测量来加以探测 。
超大质量黑洞作为轴子探测器
当我们所知的最重天体与可能是最轻的带质量粒子结合的时候 ， 奇妙的现象发生了 。 轻质量的轴子在黑洞附近会形成一片云 ， 和黑洞组成引力原子系统 。 这一附着在黑洞视界周围的轴子云在不断抽取黑洞自转能的过程中将达到非常高的密度 ， 远超过在我们太阳系附近的暗物质气体 。 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 ， 使得在轴子云中传播的偏振光子偏振角发生旋转 ， 类似于磁场中的法拉第旋光效应 。 偏转角大小依赖于轴子密度 ， 因此高速旋转黑洞成了最理想的轴子探测目标 。 处于量子相干态的轴子云会随时间震荡 ， 该偏振角也将不断变化 ， 其变化频率依赖于轴子的质量 。 除了时间震荡外 ， 绕着黑洞自转轴转的角度也会带来一个震荡相角的变化 。 对于M87星系中的超大质量黑洞 ， 其轴子云导致的辐射偏振角震荡周期在一周左右 ， 这恰好也是一个很适合观测的时标 ， 既不太短(那样需要很高的观测灵敏度) ， 也不太长以致于要等待很长时间 。 探索这一现象的另一关键要求是望远镜必须拥有极高空间分辨率 ， 否则其绕着黑洞的方位角变化带来的效应将平均掉偏振角的变化 ， 也就什么都看不到了 。 事件视界望远镜同时拥有前所未有的超高分辨率以及对光子偏振的测量能力 ， 成为了探索黑洞附近轴子的一把利器 。 事件视界望远镜能看到轴子云吗?我们拭目以待 。
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图4：左为线偏光的偏振盘 ， 右为轴子场的势能 ， 后者在势井里的运动使得前者也随时间震荡 。 (Tomohiro Fujita)
原文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.061102
来源：蔻享学术
编辑：Dannis
