许多超出粒子物理标准模型的新物理理论都预言存在一类超轻玻色子，如轴子、类轴子、暗光子等。这类粒子有可能是暗物质的主要成分，其质量比电子质量小十到二十多个数量级，且与已知基本粒子的相互作用极弱，因而很难通过现有粒子物理实验手段直接探测。另一方面，这类粒子与普通物质一样参与万有引力作用，因此，包括黑洞和脉冲星在内的强引力致密天体是产生和探测这类粒子的理想系统。

图1:引力原子中玻色子云的能量分布

此前的理论研究发现，高速旋转的黑洞可通过类似切连科夫辐射的效应在其周围大量合成这类超轻玻色子，称为“超辐射”效应。由此产生的玻色子在引力作用下围绕在黑洞周围，形成具有类氢原子能级结构的巨大玻色-爱因斯坦凝聚态，称为“引力原子”。这种引力原子的寿命可达宇宙年龄尺度，因此有望通过引力波等天文观测手段寻找。此前的研究通常关注超辐射效应在双黑洞并合 “铃宕”阶段的信号、以及旋进阶段中引力原子能级与双星轨道共振的效应。但这些效应存在信号微弱且持续时间短、可探测参数空间狭窄、信号行为复杂而难以探测等问题。

最近，清华大学物理系助理教授鲜于中之与博士研究生苏铂烨、张星宇研究了包含引力原子的致密双星系统。他们发现，引力原子通常携带巨大的质量四极矩，是相同质量黑洞最大可能四极矩的千倍到百万倍。当这样的引力原子处在具有椭圆轨道的致密双星系统中，其巨大的四极矩会引起椭圆轨道近心点的显著进动，无法通过其他已知天体系统和物理效应予以解释。他们进一步指出了这种近心点进动的两种可观测效应：第一，近心点进动会引起双星引力波频谱的特征分裂和失谐；第二，近心点进动会显著修改脉冲双星系统的脉冲时延信号。这些信号清晰简单且持续时间长，因此相对易于探测。椭圆双星系统是未来空间引力波探测实验的重要目标之一，而包含黑洞的脉冲双星系统也有望在未来的天文观测中被发现。因此，今后的空间引力波探测和脉冲双星观测可成为寻找超轻玻色子的有效手段。

图2:包含引力原子的椭圆双星系统轨道进动导致的引力波频谱劈裂

图3:引力原子对脉冲双星测时信号的修正

这项工作以“Probing Ultralight Bosons with Compact Eccentric Binaries”为题发表在最新一期的Astrophysical Journal上。依照高能物理国际惯例，文章作者按照姓氏字母排序。该工作得到了清华大学自主研发项目的支持。

文章链接：https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac2d91