用最重的黑洞去探测最轻的粒子?

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作者 | 舒菁、陈一帆、袁强

在刘慈欣的科幻小说《球状闪电》里，理论物理学家丁仪通过了一些反常的电磁现象预言了宏原子的存在。这一巨型的粒子在宏观尺度上也拥有量子力学的不确定性，如同一个放大了千万倍的氢原子。后来的另一部小说《三体》中，丁仪为此获得了诺贝尔奖，而宏原子也曾被提议作为对付三体人入侵的秘密武器。
在我们浩瀚的宇宙中，也有可能存在更为巨大的宏原子。基于广义相对论的预言，旋转黑洞会和一些极轻粒子形成一个稳定的球状结构，被称为带毛黑洞或者引力原子。如何寻找这些巨大原子?最近的研究表明，它们四周也会有一些反常的电磁现象，通过给黑洞拍照片的事件视界望远镜，我们也有机会去捕捉这一怪兽级的宏原子。



图1: EHT合作组

事件视界望远镜结集号——镜头像地球那么大的照相机

2019年4月事件视界望远镜合作组在全球多地举行了一场举世瞩目的发布会。人类有史以来第一次清晰看到了靠近黑洞表面的辐射图像，辐射环内部的阴影则是目前关于黑洞这一理论概念的最直接证据。

这一成果依靠的是事件视界望远镜无与伦比的高分辨率。我们知道，望远镜口径越大，成像清晰度越高。比如你的小双筒望远镜可能只能看到月球上的坑坑洼洼的环形山，而哈勃望远镜如果去看月球的话可以看到足球场那么大的物体。然而制造大望远镜技术上还是非常有挑战。现在国际上最大的光学望远镜口径在10米左右，射电望远镜最大的则是位于我国贵州的500米“天眼”望远镜。无线电天文学家发展了一种干涉成像技术，通过多台望远镜组合成干涉阵列，望远镜的间距等效成为单一望远镜的口径，可以大大地提高成像分辨率。著名的甚长基线干涉仪其望远镜间距可以达到几千公里，用它去看月球的话将可以看到宇航员的身影。大家可能会想，那就把望远镜往全世界各地一放，从北极到南极，从东半球到西半球，那不就相当于口径跟地球一样大的望远镜吗?“事件视界望远镜”正是这样一个宏大的计划!它竟然还成功了!



图2：EHT拍摄的M87*黑洞

回到发布会，这次被拍到照片的是M87星系中的超大质量黑洞，也是我们目前已知的最重黑洞之一，质量接近100亿个太阳的质量。这个黑洞很可能具有很高的自旋，在垂直于自转轴的赤道面上形成了一个光环。光环内部的阴影则是 因为在此区域内光也无法逃脱黑洞的束缚。事件视界望远镜直接拍摄出黑洞的照片是天文观测技术的一项非凡成就，也具有非常重大的科学意义，它不仅再次证实了爱因斯坦广义相对论的正确性，还为众多的天体物理和基础物理问题提供了全新的研究手段。比如最近的一项研究表明，黑洞的直接成像将可以用作极轻粒子的探针。

彭罗斯的超辐射

著名的霍金辐射预言了黑洞的视界面具有温度，不断地向外进行黑体辐射。然而，由于其温度反比于黑洞质量，对于超大质量黑洞，霍金辐射很弱，几乎没有观测效应。

1971年，著名的广义相对论专家罗杰彭罗斯爵士提出了超辐射的概念——旋转的黑洞周围会有轻粒子不断地被产生。对于自旋为整数的粒子，会形成玻色-爱因斯坦凝聚现象，附着在黑洞四周组成宏观的超流体量子态。这些粒子从黑洞的自转中提取能量，源源不断地被产生，使这片云越来越致密。由于超流体的量子相干性，轻粒子云还会形成类似氢原子那样的量子化轨道能级。这一宏观量子力学现象让旋转黑洞和玻色子云组成的系统如同一个“引力原子”，“原子核”是旋转黑洞，相互作用则是爱因斯坦引力。



图3: 旋转黑洞周围由超辐射形成的玻色子云，如同一个引力原子。

值得一提的是，这种超辐射过程并不是能永久持续的。当轻粒子云致密到一定程度之后，粒子之间的相互作用将占据主导，引力原子会发生崩塌。这一剧烈过程被称为玻色新星，其名来源于凝聚态物理实验室里观察到的玻色-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，之后超辐射过程将再次开启，这一周期性的过程使靠近黑洞视界的轻粒子维持在一个高密度的状态。整个过程将会辐射大量引力波。然而，这些引力波并不是可以轻易观测到的，其强度远远弱于目前看到的双星合并事件。我们不禁要问，还有什么其他办法能看到这层隐形的轻粒子云?

粒子物理标准模型还缺了什么?

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。





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

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