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10-21-10-20 eV轴子质量区间内未检测到偏振角周期性振荡迹象，但由此推算的类轴子-光子耦合强度上限为gaγ < 3.4×10-11- 1.9×10-9 GeV-1（95%置信度），精度与超新星偏振限制结果相当（图2）。研究进一步表明，通过长期监测该重复暴的偏振演化特性，可将类轴子-光子耦合强度的探测灵敏度延伸至更低轴子质量参数空间。相较于银河系内脉冲星、黑洞偏振观测等传统手段，快速射电暴作为河外探针可实现星系际暗物质的多尺度互补探测。该研究为类轴子暗物质搜寻开辟了全新维度。
图2. 重复快速射电暴FRB 20220912A偏振测量对轴子-光子耦合常数gaγ的排除区间（黄色区域）以及与其他结果的对比。黄色虚线代表FAST对该暴持续1年观测的预期约束。
本项研究由紫金山天文台博士研究生王宝和博士后杨轩担任共同第一作者，魏俊杰项目研究员、张松波博士后和吴雪峰研究员为共同通讯作者。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院和江苏省等项目的资助。
附件下载：
新闻动态