Event Horizon Telescope (EHT)合作观测到的巨型星系梅西耶87 (M87)的黑洞阴影图像为天文学和重力提供了丰富的信息。我们还能从这些美丽的图片中学到什么?利用偏振图像的变化，包括美国犹他大学助理教授赵越在内的一个国际科学家团队，给出了一个新的约束轴子和光子之间的耦合到以前未探索的区域。

2019年，EHT合作组织结合了地球周围望远镜的观测结果，发布了一张超高分辨率的超大质量黑洞M87的照片。这个闪闪发光的甜甜圈状结构来自黑洞周围吸积流的辐射。黑洞吞噬了中心区域的光，在甜甜圈内形成一个巨大的阴影。EHT合作项目在两年后用更精致的结构更新了同样的照片。这些线条显示了线性极化方向(电矢量位置角)，把甜甜圈变成了油条，一种类似于有脊纹的甜甜圈的糕点。这些首次拍摄的图像提供了黑洞存在的最直接证据，并揭示了M87以外的磁场。

事件视界望远镜拍摄的M87*超大质量黑洞的偏光视图，于2021年3月24日公布。上面的方向线总强度标志着电磁波振荡方向的电矢量。

“轴子是一种假设的超轻粒子。如果轴子存在，并且质量合适，一个旋转的超大质量黑洞将在其附近产生数十亿个轴子，并形成一个巨大的轴子云。”“星云将改变从黑洞周围的吸积盘发出的光的方向。EHT测量偏振随时间的变化。如果它以某种模式变化，这可能表明存在轴子云。”

陈一凡博士评论说:“我们对超轻粒子可以在黑洞外聚集的想法很感兴趣。我们意识到，如果超轻轴子存在并停留在黑洞外，它们会让油条跳舞!利用这四天的变化，我们可以将轴子和光子之间的耦合限制在之前未探索的区域。”

如何把超大质量黑洞变成超轻粒子的探测器?它可以追溯到1969年罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)的一个思想实验。想象一下，有人把一块石头扔进一个快速旋转的黑洞，石头有一定的机会以比之前更大的速度逃逸。它所携带的额外能量来自黑洞的旋转。现在想想量子力学中的粒子波二象性。我们可以用旋转黑洞外的波来代替岩石。它可以通过从黑洞中提取能量和角动量来形成致密的云，这被称为超辐射机制。为了使这个过程足够快，它要求玻色子的康普顿波长与黑洞的视界大小相当。因此，超大质量黑洞成为超轻粒子的天然探测器!

由轴子云包围的克尔黑洞的偏振发射图。电矢量位置角(EVPA)抖动的不同颜色(从红色到紫色)代表了轴-光子耦合存在时EVPA的时间变化。当轴子场不存在时，白颤波是evpa。强度尺度被归一化，使最亮的像素是统一的。

在粒子物理标准模型之外的不同类型的超轻场中，轴子是最有动力的候选者之一。寻找轴子是粒子物理学的首要任务之一。它自然出现在许多具有额外维度的基本理论中，比如弦理论。轴子也是一个完美的冷暗物质候选者。在超轻质量窗口中，星系的一些小尺度问题可以通过在中心形成核的场来解决。

一旦超轻轴子存在于正确的质量窗口内，一个密集的轴子云和中心黑洞就会形成一个类似于氢原子的束缚态，被称为引力原子。Jing Shu教授说:“除了纯粹的引力效应，轴子的存在也可以周期性地旋转线极化的方向，周期在5到20天之间。偏振角的变化表现为沿着明亮的光子环传播的波，而这个光子环的舞蹈有一个特定的模式，而不是一个醉汉的随机行走。”

EHT的偏振测量提供了连续4天线偏振方向的空间分布，这正是我们寻找轴子所需的信息。Yosuke Mizuno教授说:“为了抑制增生流的湍流变化，我们引入了一种新的分析策略，其中两个连续天之间的差异被用作观测数据来约束轴向诱导的EVPA变化。未来，通过提供更详细的数据，尤其是更连续的时间观测和更好的空间分辨率，可以探测更大的参数空间。”

发表:陈一凡，刘宇鑫，吕汝森，水野洋介，舒静，薛晓，袁强，赵岳:事件视界望远镜M87偏振测量的严格轴子约束《自然天文学2022》，https://www.nature.com/articles/s41550-022-01620-3