文章导读
黑洞阴影本应漆黑一片，但暗物质竟能为它“点灯”？上海交大李所团队联合多校科学家在《物理评论快报》重磅揭示：EHT拍摄的M87*黑洞图像中，最暗的“内阴影”区域竟对暗物质湮灭信号高度敏感！超大质量黑洞聚集的暗物质尖峰结构，通过湮灭产生正负电子对，在磁场中同步辐射“点亮”阴影，让原本不可见的区域显形。这项突破性研究不仅排除了大量暗物质模型，更将黑洞成像变为探测宇宙隐形物质的新利器——下一代EHT或将借此揭开暗物质本质之谜。
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近日，一项关于“事件视界望远镜（EHT）拍摄的黑洞图像可以成为探测暗物质的有力工具”的最新研究发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters），并入选“编辑推荐”。该论文作者按字母顺序署名。共同通讯作者包括陈一帆（即将以青年学者身份加入李政道研究所）和Yosuke Mizuno（李政道研究所长聘学者），以及安徽大学丁然副教授、北京大学舒菁教授和其博士生刘雨鑫、于海跃、曾彦杰。
揭示暗物质的微观本质是当代物理学最大的挑战之一，也是李政道研究所的重要研究目标。暗物质研究的一个关键途径是间接探测，即通过观测其湮灭或衰变产生的标准模型粒子（如光子或中微子）的天体物理信号来寻找线索。
在超大质量黑洞附近，极端的引力能够将暗物质聚集形成高密度的“尖峰结构”，其能量密度比太阳系邻域高出多个数量级。这大幅提高了暗物质湮灭的概率，使这些区域成为观测的天然优势场所。
EHT对M87*超大质量黑洞的成像展示了一个被明亮光子环包围的暗“阴影”。研究发现，其中最暗的“内阴影”区域由黑洞赤道平面上的外视界的引力透镜轮廓构成, 对暗物质湮灭产生的辐射尤为敏感。与普通等离子体通常被喷流排出不同，暗物质湮灭能够在阴影区持续注入电子和正电子对，它们在磁场背景下通过同步辐射发光，从而点亮原本漆黑的区域，如图1中的右图所示。
图1: 对超大质量黑洞附近同步辐射的模拟：左图为天文背景中的等离子体辐射；右图为一个暗物质湮灭产生正负电子对的辐射图。
为确保结果的可靠性，研究团队建立了迄今最全面的理论框架，用于模拟电子–正电子同时在黑洞强引力和磁场环境下的传播。该框架基于与现有EHT观测数据相符的广义相对论磁流体动力学模拟。结果显示，这一方法排除了大量此前未被探索的暗物质模型，并确立了黑洞成像作为基础物理前沿研究的新方向。展望未来，下一代EHT的动态范围的提升，将使其能够探测更暗的阴影区域，进一步增强对暗物质的灵敏度。
该工作得到了国家自然科学基金 (Nos. 12273022, 12025507, 12150015, 12450006)，科技部重点研发计划重点专项 (Nos. 2020YFC2201501, 2021YFC2203004, 2021YFC2203100, 2023YFE0101200)和上海市科学技术委员会2022年度外国专家基础研究项目 (No. 22JC1410600)的资助。
作者： 李政道研究所 供稿单位： 李政道研究所
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