「新浪科技综合」用最重的黑洞去探测最轻的粒子？新浪科技综合2020-07-20 11:58:590阅( 二 )
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4/6
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图5/6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）
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