2020年实际物理所主要科研开展系列(四):应用视界远望远镜的偏振不雅测探究轴子

拥有极高空间分辨率的事件视界远望远镜(EHT)让我们人类第一次清晰的看到了黑洞视界四周收回的电磁辐射,辐射环内部的暗影则是今朝最干脆的黑洞这一实际概念的证据。此次不雅测的数据被普及应用在进一步验证广义相对论和黑洞物理、研究极端条件下的物理进程。同年9月份EHT团队取得300万美元的基础物理学冲破奖。


在比来的一项研究中,实际物理所的舒菁研究员(通讯作者)团队及其协作者指出,视界远望远镜不只能给天体物理带来了里程碑式的开展,行将 马上公布的偏振数据还有远望探究超轻品质轴子暗物质的存在,从而对粒子物理范畴也有着深刻的影响力。


依据广义相对论的预言,假如存在足够轻的玻色子,其康普整理波长和黑洞视界半径在一个量级时,其波函数在旋转的科尔黑洞四周会被不时扩大。这些粒子从黑洞的自转中提取能量,形成一个玻色云围绕在黑洞四周。这一进程被称为超辐射。旋转黑洞和玻色云组成的系统好像一个“引力原子”,原子核是旋转黑洞,彼此作用则是引力。


值得一提的是,这种超辐射进程其实不是能永久持续的,被普及思索的状况是在提取了黑洞足够角动量后,残剩的黑洞自转能缺乏以持续超辐射进程。这种状况的假定是玻色子之间的彼此作用足够小到在超辐射中一直可以被忽视。当玻色子的自彼此作用足够强,玻色云的能量密度会有一个上限,超越以后引力原子会发作倒塌,这一猛烈进程被称为玻色新星,其名来源于凝聚态检验测验室里玻色-爱因斯坦凝聚的塌缩现象。塌缩后的引力原子将抛出外层的轻粒子,以后超辐射进程将再次开启,这一周期性的进程使接近黑洞视界的轻粒子维持再一个高密度的状况。而视界远望远镜看到的光圈位置r_ring,则正处于玻色云密度最高处r_max的四周(图一)!

 图一:轴子云波函数在径向标的目的上的大小

如何查寻这些可以附着在黑洞四周的轴子?超辐射发作的非相对论性轴子可以当作一个相干场,波函数随着时间而振荡。假如这个相干场和标准模型有耦合的话,会发明标准模型的一些参数也会有极微小的振荡。轴子作为一个赝标量,对应的也是在宇称变换为奇变换的不雅测量,比如轴子胶子耦合带来的中子的电偶极矩振荡。除和强作用的胶子耦合外,轴子也能天然地与电磁场发作彼此作用。假如一束偏振光从轴子云中辐射出来,其偏振角会因此而振荡。其振幅依靠于辐射收回点处的轴子密度,使得高速自转黑洞四周成了最抱负的轴子探测目的。


除时间振荡外,还可以比拟不同位置处的辐射的偏转角的振荡。由于超辐射发作的玻色云携带和黑洞自转标的目的不异的角动量,其波函数在黑洞经度角标的目的上也会存在相位差(图二):不同位置处偏转角振荡的振幅还可以用来分析玻色云系统能量密度的散布。

图二:同一时刻轴子引发的偏转角偏移

在黑洞赤道立体上的投影

今朝,视界远望远镜还没有公布偏振角的不雅测数据。在过往的不雅测中,协作组的子天文台已显示可以拥有3度的不雅测精度。我们以此为准,瞻远望了在将来全部协作组的结合不雅测对轴子的参数空间能到达的限制(图三),发明会比现有的限制超过跨过极少数量级。

图三:视界远望远镜偏振不雅测对轴子

参数空间的估计探究空间,c正比于

轴子和光子的无量纲的耦合强度


该研究效果近日公布在Phys.Rev.Lett. 124 (2020) 061102上。该项研究到手了国度天然真理基金重大项目、面上项目、中国以色列国际协作项目、实际物理专款“彭桓武实际物理立异研究中央”和中科院战略先导科技专项(B)的同意。



原文链接:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.061102



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