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                利用事件視界望遠鏡對M87*的偏振觀測限制軸子

                文章來源: 發布時間: 2022-04-02 【字體:      

                  事件視界望遠鏡(EHT)合作組織觀測到的巨型星系Messier 87(M87)中心的黑洞陰影圖像為天文學和引力研究帶來了豐富的信息。利用偏振圖像的變化,研究人員對一種被稱為軸子的新粒子和可見光子之間的耦合給出了一個新的約束,到達過去未曾探索過的區域。這項研究發表在最新一期《自然?天文》,由理論物理研究所舒菁研究員合作團隊完成,團隊成員包括博士后陳一帆、博士生薛瀟(現為德國DESY博士后)、研究生劉雨鑫,以及上海天文臺路如森研究員、李政道研究所水野洋介研究員、紫金山天文臺袁強研究員和美國猶他大學趙悅教授。

                   

                  2019年,結合世界各地多臺望遠鏡對室女座星系團中超大質量星系M87中心黑洞(M87*)的觀測結果,EHT合作組織公布了一張分辨率極高的黑洞照片。照片中明亮的圓環結構來自于黑洞周圍吸積流的輻射,而黑洞吞噬了中心區域的光線,在圓環的中心形成了一個陰影。兩年后,EHT合作組織給這張照片帶來了根據澤爾多維奇1971年提出的超輻射機制,從無窮遠處看,一個耗散性的運動介質可以加速在其中傳遞的波。把這個想法推廣到黑洞視界外,視界的非厄米邊界條件起的是耗散的作用,當視界旋轉時,外部存在波被拖拽著一起運動,從而不斷提取黑洞的角動量并指數增長。當玻色子存在一個特定范圍質量的時候,會和黑洞形成一個束縛態,被稱為引力原子。玻色子的波函數因此會不斷增強??梢詫⒑诙磳O輕玻色子的超輻射看做是波動版的彭羅斯過程以及經典版的霍金輻射。過去通??紤]的一種情況是黑洞自旋降低后達不到超輻射條件,指數增長過程終止。另外一種情況是,由于玻色子的自相互作用隨著波函數的增長逐漸變強,將向外輻射引力波和軸子波,從而和超輻射機制供能達到平衡。這時玻色子一般會達到所能達到的最高能量密度。 

                      

                  在超越粒子物理學標準模型預言的各種極輕粒子中,軸子是最有動機的候選者之一。尋找軸子是粒子物理學的首要任務之一,在許多包含額外維的基本理論如弦理論中被廣泛預言存在。軸子也是一個完美的冷暗物質候選者。在極輕質量窗口,星系中心形成的平坦的軸子分布有可能解決星系的一些小尺度問題。軸子的勢能被周期性的離散對稱性保護,呈現一個余弦函數的形式,也自動預言了四個軸子場的吸引自相互作用形式。軸子和光子的相互作用是目前最普遍的探測渠道,其中之一便是雙折射效應,即軸子會改變左旋光和右旋光的相速度,從而使得線偏光的相位角發生改變,產生一個周期振蕩。其周期和軸子場在黑洞附近的振蕩周期相同,在M87*附近為5到20天。由于超輻射的軸子場存在角動量,其預言的偏振角振蕩在光環角度方向上將如同一個行波在傳遞。 

                      

                  EHT對M87*為期四天的偏振測量提供了含有線偏振方向信息的高分辨率圖像,正是用于搜索或限制軸子所需的關鍵信息。為了降低吸積流的湍流變化的不確定度,團隊引入了一種新的分析策略,將相鄰兩天的觀測之間的差異作為觀測量來限制軸子引起的EVPA變化。通過未來更詳細的數觀測據,特別是更多的連續觀測和更好的空間分辨率,將可以探測到更大的參數空間。 

                  

                  

                   

                  被軸子云包圍的克爾黑洞的線偏振輻射圖。電矢量位置角(EVPA)用不同顏色的線表示,白色線是軸子場不存在時的EVPA,彩虹色線(從紅到紫)表示一個周期內等時間間隔線偏振光投影方向角的變化。整體輻射強度由黑白表示并被歸一化。 

                  

                  

                   

                  從M87*的EHT偏振觀測中得到的對無尺寸軸子-光子耦合的約束。綠色區域表示黑洞自旋為0.99對應的軸子質量窗口,其中較小的斜線區域表示黑洞自旋為0.80對應的軸子質量窗口。前者完全包含后者。該區域底部的灰色窄條表示五個不同的EVPA重建方法的不確定性。過去關于軸子-光子耦合界限的五個結果以其他顏色表示,以便比較。 

                  原文鏈接: https://www.nature.com/articles/s41550-022-01620-3

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                半夜翁公吃我奶第七十章

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