利用黑洞偏振测量探测轴子暗物质

轴子作为领先的暗物质候选者，是基于其与光子耦合的许多正在进行和已提出的实验搜寻的目标。与光子耦合的超大质量轴子也能引起光的偏振旋转，宇宙微波背景可对此进行探测。在本工作中，我们表明由于轴子的玻色-爱因斯坦凝聚，超大质量黑洞周围不可避免地会形成大轴子场，从而增强诱导的双折射效应。因此，测量超大质量黑洞成像偏振角的变化是对轴子-光子耦合的有力探测，这归因于增强轴子场的轴子凝聚（轴子星）的形成。黑洞周围的振荡轴子场在黑洞图像上诱导偏振旋转，该效应可探测且能与偏振角上的天体物理效应区分，因其表现出独特的时间变率和频率不变性。在本工作中，我们对轴子星形成率及超大质量黑洞附近相应的增强轴子场值进行了理论计算。随后，我们给出了事件视界望远镜（Event Horizon Telescope）在轴子质量范围 $10^{-21}-10^{-16}\,\text{eV}$ 内可探测的轴子-光子耦合范围。随着偏振测量灵敏度的提升以及更多具有确定黑洞质量的黑洞偏振测量目标，黑洞偏振测量所探测的轴子参数空间将扩大。