研究揭示河外超轻类轴子暗物质耦合强度新上限

 

中国科学院紫金山天文台高能时域天文研究团组在类轴子暗物质探测领域取得进展。该团队基于“中国天眼”（500米口径球面射电望远镜，FAST）对活跃重复快速射电暴FRB 20220912A的长期偏振观测，通过分析其偏振特性变化，首次利用快速射电暴实现对河外超轻类轴子暗物质与光子耦合强度的限制。相关研究成果以《Detecting Extragalactic Axion-like Dark Matter with Polarization Measurements of Fast Radio Bursts》为题，于2025年4月1日发表在《自然》子刊《通讯物理》（Communications Physics）。

作为当前最具潜力的暗物质候选粒子之一，轴子或类轴子粒子与光子的弱耦合效应会在电磁波传播过程中引发独特的“宇宙双折射现象”。该效应表现为左右旋圆偏振光相速度的差异，导致偏振面产生周期性振荡（图1），其振荡幅度与类轴子-光子耦合强度呈正相关。通过捕捉天体偏振角的周期性调制信号，可间接探测这类难以捉摸的暗物质粒子。

图1.利用快速射电暴偏振测量探测河外星系类轴子暗物质的示意图。光子和类轴子之间的相互作用会引起色散关系改变，导致左旋与右旋圆偏振模式的相速度产生差异，进而造成偏振角的周期性变化。

活跃重复快速射电暴FRB 20220912A因其高度线偏振特性、非磁化局域环境及毫秒级定位精度，成为探测类轴子暗物质的理想目标源。研究团队利用FAST对该暴为期38天的偏振观测，结合宿主星系暗物质密度分布模型，系统搜寻类轴子-光子耦合信号。尽管在10