【黑洞周围的裱花“甜甜圈”会跳舞吗?——科学家引入新方法拓展探测黑洞更大区域】中国科学报:2019年,天文学家捕获了首张黑洞照片,为世界震撼。这是由黑洞事件视界望远镜合作组(EHT)观测到的巨型星系Messier 87(M87)中的黑洞阴影图像,为天文学和引力带来了丰富的信息。

“我们还能从这些美丽的图像中了解到什么?”这是中国科学院理论物理研究所研究员舒菁一直在思索的问题。

近日,舒菁团队联合国内外研究团队,利用偏振图像的变化,对一种被称为轴子的新粒子和可见光子之间的耦合给出了一个新的约束,到达过去未曾探索过的区域。该研究发表在最新一期的《自然—天文》杂志。

用“最重”黑洞探寻“最轻”粒子

2019年,结合地球各地望远镜的观测结果,EHT合作组织公布了一张分辨率极高的超大质量黑洞M87的照片。

闪亮的“甜甜圈”状结构来自于黑洞周围吸积流的辐射——黑洞吞噬了中心区域的光线,在“甜甜圈”内形成了一个大阴影。两年后,EHT合作组织更新了同一张照片,在原有基础上带来了更精细的结构——表示线偏振方向(EVPA)的纹理线,黑洞在线偏振光下的影响犹如“裱花”图样,被称为“甜甜圈”的“裱花”版。

这些发现和照片给出了黑洞的最直接证据,并揭示了M87外的磁场。更重要的科学意义在于,黑洞的发现,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。

比如黑洞的直接成像将可以用作极轻粒子的“探针”。

1969年,著名数学家和物理学家罗杰·彭罗斯做过的一个思想实验,他提出,即假设有人将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,而它所携带的额外能量来自黑洞的旋转。

论文通讯作者舒菁告诉《中国科学报》,当考虑量子力学中的波粒二象性(粒子或量子同时具有粒子性和波动性)后,我们可以用旋转黑洞外的波代替石头。

“波可以通过从黑洞中提取角动量来形成密集的云,这一过程被称为超辐射机制。为了使这一过程发生,要求玻色子的康普顿波长与黑洞的视界大小相当。因此,超大质量黑洞成了极轻粒子的天然探测器!”舒菁说。

轴子驱动“跳舞”

“我们对极轻粒子可以在黑洞外聚集的想法很着迷。我们意识到,如果极轻的轴子存在,并且和与可见光之间存在相互作用,它们会让裱花的‘甜甜圈’跳舞!”舒菁说。

在2020年,舒菁团队与合作者在《物理评论快报》发文,指出EHT的偏振数据有望探索超轻质量轴子暗物质的存在,从而对粒子物理领域也有着深刻的影响力,该研究中也提出了轴子让裱花的“甜甜圈”跳舞的理论方案。

事实上,在超越粒子物理学标准模型预言的各种极轻粒子中,轴子是最重要的候选者之一。寻找轴子是粒子物理学的首要任务之一,在许多基本理论如弦理论中被广泛预言存在。轴子也是一个完美的冷暗物质“候选者”,因为在极轻质量窗口,星系的一些小尺度问题有可能被轴子在星系中心形成平坦的分布所解决。

超大质量黑洞是探索黑洞附近轴子的一把“利器”。当最重天体与可能为最轻带质量轴子结合时,会发生奇妙的现象。即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。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,远超过在太阳系附近的暗物质气体。

“除了纯粹的引力效应,轴子的存在也能使线偏振的方向产生额外的周期性旋转,周期在5到20天之间。偏振角的变化表现为沿着明亮的光环方向传播的波,这时,裱花图案的舞蹈犹如有一个特定模式,而不是像‘醉汉’的随机行走。”舒菁告诉《中国科学报》。

论文作者之一、理论物理研究所博士后陈一帆解释,所谓“跳舞”是指,“裱花”版黑洞以一个特定的形式震荡,在时间上以一个固定的周期旋转,在空间上绕着甜甜圈的方向有一个特殊的舞步。“我们可以通过比较黑洞附近偏振的分布及其随时间的演化,来确认是否存在轴子引起的偏振角的‘跳舞’。”

在该研究中,EHT连续4天测量了在M87附近发射的辐射线性偏振,提供了4天的线性偏振方向的高分辨率图像,这正是研究人员探索轴子所需要的信息。

舒菁表示,利用裱花图样4天变化的不同情况,我们可以使轴子和光子之间的耦合突破到以前未曾探索的区域。“‘跳舞’是我们预言的轴子如果存在的信号形式,如果没有看到‘跳舞’的形式,可以限制轴子的参数区间,比过去的限制都要强。”

期待更多数据探测更多奥秘

“为了降低吸积流的湍流变化的不确定度,我们引入了一种新的分析策略,将两个连续天之间的差异作为观测量来限制轴子引起的线偏振方向变化。”陈一帆说,未来,通过提供更详细的数据,特别是更多连续时间观测和更好的空间分辨率,可以探测到更大的参数空间。

舒菁表示,这是第一次理论提出黑洞事件视界望远镜探测轴子这一超轻新粒子,并与合作者进行了实际观测,是一项理论与实验结合非常密切的研究。

“我非常乐意建议发表这篇论文。”审稿人给出高度评价,该研究对轴子—光子耦合常数的最终约束是迄今为止最严格的,比以前的界限高出1-2个数量级,这是对EHT数据的有力应用以解决当代粒子物理界感兴趣的问题。所采用的技术策略可以在未来EHT所观测的更高质量的M87数据,以及其他超大质量黑洞数据上。

早上间歇性奋发努力练了三小时琴,用龟速过了一遍肖练第一首逃亡圣咏,740试弹了前面几首貌似没有想象的那么难。不知道是不是因为最近技术有点进步。车尔尼实在不想练了,纯练技术没啥音乐性。想问问老师能不能直接上肖练。

找到一张07年去伦敦国家美术馆的旧照,面对着特拉法尔加广场,游人如织。想来居然已经过去15年了,自毕业后再没回去过。

【专访】张德贵:我们创造了奇迹 但还是有一些遗憾……

凭借第三阶段一波荡气回肠的8连胜,天津先行者在不被外界看好的情况下拿到了一张季后赛门票。作为主教练,张德贵指导应该是首功之臣。日前,笔者联系到了张指导,回顾天津队的常规赛之旅,已经65岁的他直言:我们创造了奇迹,但还是有一些遗憾……

新浪天津体育:球队从第一阶段的3胜10负,到第三阶段8连胜提前晋级季后赛,俱乐部管理层在这个期间是不是给了您很大的支持?

张德贵:这是肯定的,今年天津队更换了全新的领导班子。荣程集团董事会主席张荣华,俱乐部董事长张锡尧,领队张智涵对这支队伍很支持,也一直在鼓励我们。第三阶段拿到8连胜的时候,张荣华主席还给我们发来了贺信,肯定了我们的表现,全队很受鼓舞。

而且每次比赛前,张智涵都会激励全体人员,鼓励大家、调动球员们的积极性。球队是个集体,每个环节都很重要。我认为这次我们创造了奇迹,证明了只要努力,一切都有可能。只有齐心协力,才能完成不可能完成的任务,最终实现了我们的梦想。

新浪天津体育:冲击季后赛是球队的赛季目标,这个过程充满了艰辛,最终确定晋级季后赛,这个结果您想到了吗?

张德贵:我们就是按照目标一步步来,但是前两个阶段只赢了11场,后面只剩10场比赛。第三阶段开始前分析过,常规赛结束后至少要把胜率提高到50%,也就是还要赢8-9场,同时还要考虑和其他队伍的相互胜负关系。可以说难度非常大,在这方面做了很多的部署,也有不少预案,很欣慰最后实现目标。

新浪天津体育:您是在第一阶段4轮过后火速上任,接手球队后第一时间和队员说了什么?

张德贵:我接手的时候确实比较仓促,基本是两天一场比赛,当时还是全华班,和有外援的队伍相比存在一定差距。走马上任后,首先是在思想、作风上下功夫,让球员们必须有拼搏精神,打球更要有霸气,每场比赛都要把赢球当成目标。所以说我主要是让球员们打起足够的精神,不能怯场,只有这样才能取得好成绩。

之前天津队和强队打的时候,可能还没交手就胆怯了,我告诉球员每场比赛都要保持必胜的信念,不能放弃,哪怕落后的分数多,也要一直战斗下去。第二就是制定了适合我们的战术,但时间非常紧张。每个球员的特点还不一样,所以这方面也是比较困难的。

新浪天津体育:计划中引进的汉斯布鲁和亨森都没能与球队会合,对于这个不利情况您是如何调整的?

张德贵:我们的短板就是内线,包括现在也是一样,尽管赛季前引进了张兆旭和李佳益,但是劣势还是比较明显,特别是在进攻上短板很大,身高不够、对抗能力不强、得分能力也比较有限,所以我们要扬长避短,及时根据队伍情况制定了相应的战术。毕竟大外援来不了已经成为现实,这也是竞技体育充满不确定性的写照。其实我们最大的特点就是在外线投射有一定能力,所以确定了快、准、灵的战术,事实证明最后也取得了不错的效果。

新浪天津体育:可以看到,金鑫、孟子凯、林庭谦在常规赛表现都很抢眼,请您点评一下国内球员的表现。

张德贵:我们现在有两个小外援,和球队的技术特点很符合,但只靠他们还不够。可以肯定的是,林庭谦的作用非常大,他在场面掌控、得分这几个环节基本和外援是一样的,而且表现在全队来说是最突出的。以常规赛最后一场和新疆为例,如果他能够出场,我们赢球的概率就会大大提升,但是他在跟宁波的比赛中受伤了,保险起见没让他打这场。好在他的伤情没有大碍,休息几天就能参加正常的合练了。

孟子凯在38轮联赛里,虽然有起伏,但并不是很大,也是一个固定的得分点。在4号位的时候,他能投三分、能传球,防守时还能盖帽,这对队伍来说很重要。

跟孟子凯比,金鑫的起伏可能会大一些,不过作为前锋,我们制定了适合他的战术,他主要打3号位,身体是他的优势,尽量让他扬长避短,总体看效果还是不错的。

时德帅是我们的队长,在训练中很积极,是球队不可或缺的一员。但是,他的思想包袱有一些重,每场比赛都特别想打好,这可能会在一定程度上影响他的发挥。同时,他本身是4号位出身,但由于球队需要他现在基本都是出现在5号位的位置上,和对方的外援中锋对抗时,身体、能力上可能都处在下风。不过他一直很努力,给球队带来的正能量也很多。

新浪天津体育:和前几个赛季相比,今年天津队不论是领先还是落后,球员们心态都保持的很好,这方面您是如何调整的?

张德贵:这是实力一般队伍的普遍现象,全场打的再好,也有可能在某一时间段崩盘。从接手第一天起,我就一直给球员们灌输永不放弃的思想,不管多困难都不能放弃,每一次准备会我也会强调这点,只要能够“咬住”对手,就一定会把优势抢回来,这也是我们能够打入季后赛的原因。

新浪天津体育:张庆鹏加入教练组后,是不是也给球队带来了积极变化?

张德贵:团队协作很重要,张庆鹏到来后充实了教练团队的实力,球员时代他是国家队的成员。转型成教练后,他很投入,进攻和防守都能把自己的想法告诉给球员。包括孟祥龙和刘伟,他们也给我的工作带来了很大帮助。

新浪天津体育:常规赛最让您印象深刻的比赛是哪几场?

张德贵:和山西第一次交手时,我们原本能够赢下,但是在最后时刻出现了两次发球失误,没有把球发出来。这是因为球员们之前从来没有经历如此胶着的比赛,第一次遇到后大家难免有所紧张,但是我及时引导了球员,第二次和山西碰面时,过程其实是一模一样的,但是这次我们就把握住了机会,减少了失误。可以说与山西的这两场是我们在常规赛中的转折点,从痛失好局到取得胜利,球员们增添了很大的信心,这是很大的飞跃。

第三阶段和山东(第一次交手),最后十几秒的时候落后1分,进攻时连续被对方破坏,最后一次发底线球进攻时间只剩2.4秒。如果发出来打进,才有机会赢球,否则就只能犯规战术。很欣慰,我们打成了这次进攻,也取得了胜利。不夸张讲,如果这场没有赢,后面的8连胜也许就不会出现了,晋级季后赛的形势也就非常严峻了。这三场比赛让我印象很深刻。

新浪天津体育:天津队是以第12名的身份进入季后赛的,对于这个排名您满意吗?

张德贵:其实还是有一些遗憾的,远的不说,如果最后一轮和新疆林庭谦能上,我们赢球的可能性就会大大提高,这样排名就能提升到第11。不过既然已经确定排在第12,我们唯一要做的就是全力以赴,打好和广东的季后赛。

新浪天津体育:季后赛第一轮要和卫冕冠军广东交手,而且没有了外援4节5人次的优势,展望一下季后赛征程吧。

张德贵:确实是这样,到了季后赛我们第三节就会少一个外援,但球队还是要坚持自己的特点,而且已经做好了相关准备。至于广东这个对手,其实他们和天津队有些相似,都是没有外援中锋,外线球员也都比较灵活。

此外,我们还要多在防守上下功夫,进攻时也要丰富一些打法。最后,我还要感谢球迷们的支持,虽然是赛会制,但是我能感受到有越来越多的天津球迷开始关注先行者,我们会全力以赴,打好每一场比赛。#天津先行者晋级季后赛##天津先行者##天津男篮##CBA[超话]# https://t.cn/RxrBSmT


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