近日，中国科学院紫金山天文台高能时域天文研究团组在利用耀变体（Blazar）光学偏振观测探测超轻轴子暗物质方面取得新进展。研究团队基于耀变体1ES 1959+650近十年的光学偏振监测数据，首次利用耀变体长期光学偏振观测系统搜寻超轻类轴子暗物质可能引起的偏振角周期性振荡，并给出了类轴子-光子耦合强度的新上限。相关成果于2026年10月28日以《Probing Extragalactic Ultralight Axion Dark Matter with Decade-long Blazar Optical Polarimetry of 1ES 1959+650》为题，发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。
暗物质约占宇宙物质总量的85%，但其微观性质至今仍不清楚。超轻轴子和类轴子粒子是重要的暗物质候选者, 这类粒子若与光子发生微弱耦合，会使左旋和右旋圆偏振光在传播过程中产生不同的相位积累，进而导致线偏振面随时间发生周期性旋转（图1）。这一效应称为“宇宙双折射”，其振荡周期由粒子质量决定，振荡幅度则与类轴子-光子耦合强度及暗物质密度有关。因此，对天体偏振角时间序列开展周期性搜寻，有望从天文观测中捕捉类轴子暗物质留下的间接印记。
图1 超轻类轴子暗物质引起耀变体光学偏振角周期性变化的示意图
耀变体是一类相对论性喷流方向接近观测者视线的活动星系核，其辐射通常具有较高且显著变化的偏振度。1ES 1959+650位于红移z≈0.048处，具有较高的光学偏振度，并积累了跨度近十年（2008年10月至2018年6月）的光学偏振监测数据，为搜寻偏振角的周期性变化提供了理想样本。研究团队利用Steward天文台获得的偏振角数据，采用Lomb-Scargle周期图并结合蒙特卡罗模拟开展周期性搜寻，未发现具有统计显著性的偏振角周期性振荡信号。基于这一结果，研究团队假设宿主星系中心附近具有特征暗物质密度（ρDM=20 GeV cm⁻³），在类轴子质量范围约1.4×10-23 eV至5.2×10-20 eV内，得到类轴子-光子耦合强度上限gaγ < 1.3×10-13- 6.0×10-10 GeV-1（95%置信度）。在孤子核暗物质密度分布假设下，研究团队在相同质量范围内得到耦合强度上限gaγ < 2.5×10-13- 6.2×10-13 GeV-1（95%置信度）。
本研究所得的约束在部分质量区间内优于现有的天体偏振观测限制，并与脉冲星计时阵列等经典探测方法的约束水平相当，表明长期耀变体偏振监测为探测超轻类轴子暗物质提供了一种有竞争力的新途径（图2）。研究团队还通过多项模拟测试检验了分析方法的可靠性，并评估了观测时间跨度和采样频率对信号搜寻效果的影响。测试结果显示，通过延长观测时间跨度、提高采样频率，有望进一步提升对超轻类轴子暗物质信号的探测灵敏度。
图2 本工作对类轴子-光子耦合强度的限制及其与已有结果的比较。黄色区域表示本文基准暗物质密度假设下排除的参数空间，青色曲线表示孤子核密度分布下的结果。
紫金山天文台博士研究生黄秋菊与王宝为论文共同第一作者，魏俊杰研究员和吴雪峰研究员为共同通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金项目、中国科学院战略性先导科技专项以及国家重点研发计划项目的支持。
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