研究揭示河外超轻类轴子暗物质耦合强度新上限

在类轴子暗物质探测领域，中国科学院紫金山天文台高能时域天文研究团队取得了进展。该团队基于“中国天眼”(500米球面射电望远镜)。FAST)FRB活跃、重复、快速射击通过分析其偏振特性的变化，20220912A的长期偏振观测首次利用快速射电暴力实现对河外超轻轴暗物质与光子藕合强度的限制。相关研究结果是《Detecting Extragalactic Axion-like Dark Matter with Polarization Measurements of Fast Radio Bursts》2025年4月1日，问题发表在《自然》子刊《通信物理》中(Communications Physics)。

轴或类轴颗粒和光子之间的弱耦合效应作为目前最有潜力的暗物质替代颗粒之一，在电磁波传播过程中会造成独特的“宇宙双折射现象”。这种效应体现在左右旋圆偏振光相速度的差异上，导致偏振面周期性振荡(图1)，其振荡幅度与类轴-光子莲藕的强度成正相关。这种不可预测的暗物质颗粒可以通过捕捉星体偏振角的周期性调制信号来间接检测。

图1。河外星系轴子暗物质的示意图采用快速射电暴偏振测量。光子和轴子之间的相互作用会导致色散关系的变化，导致左旋和右旋圆偏振模式之间的相速度不同，从而导致偏振角度的周期性变化。

FRB活跃反复快速射击由于其高度线偏振特性、非磁化局域环境和毫秒定位精度，20220912A成为检测轴子暗物质的理想目标来源。研究小组利用FAST对暴历进行了38天的偏振观察，结合宿主星系的暗物质密度分布模型，系统搜索类轴-光子藕合信号。尽管在10-21-10-20 在EV轴的质量范围内，没有发现偏振角周期性振荡的迹象，但是计算出的类轴-光子藕的强度上限是ga。γ < 3.4×10-11- 1.9×10-9 GeV-1(95%置信度)，精度等于超新星偏振限定结果(图2)。进一步说明，类轴-光子藕合强度探测灵敏度可以通过长期监测重复暴力的偏振演变特性，延伸到轴质量参数较低的空间。与银河系内脉冲星、黑洞偏振观测等其他方法相比，作为河外探针的快速射电暴可以实现星系际暗物质的多规模互补检测。这项研究为类轴子暗物质搜索开辟了一个全新的层次。

图2. FRB重复快速射击 20220912A偏振测量轴-光子耦合常数gaγ排除范围(黄色区域)和与其它结果的对比。黄斜线代表FAST对该暴力持续一年的预期约束。

这项研究由紫金山天文台博士生王宝和博士后杨轩担任联合第一作者，魏俊杰项目研究员、张松波博士后和吴雪峰研究员担任联合通信作者。这项工作得到了科技部、国家自然科学基金委员会、中国科学院和江苏省的资助。