【黑洞周围的裱花“甜甜圈”会跳舞吗？——科学家引入新方法拓展探测黑洞更大区域】中国科学报：2019年，天文学家捕获了首张黑洞照片，为世界震撼。这是由黑洞事件视界望远镜合作组（EHT）观测到的巨型星系Messier 87（M87）中的黑洞阴影图像，为天文学和引力带来了丰富的信息。
“我们还能从这些美丽的图像中了解到什么？”这是中国科学院理论物理研究所研究员舒菁一直在思索的问题。
近日，舒菁团队联合国内外研究团队，利用偏振图像的变化，对一种被称为轴子的新粒子和可见光子之间的耦合给出了一个新的约束，到达过去未曾探索过的区域。该研究发表在最新一期的《自然—天文》杂志。
用“最重”黑洞探寻“最轻”粒子
2019年，结合地球各地望远镜的观测结果，EHT合作组织公布了一张分辨率极高的超大质量黑洞M87的照片。
闪亮的“甜甜圈”状结构来自于黑洞周围吸积流的辐射——黑洞吞噬了中心区域的光线，在“甜甜圈”内形成了一个大阴影。两年后，EHT合作组织更新了同一张照片，在原有基础上带来了更精细的结构——表示线偏振方向（EVPA）的纹理线，黑洞在线偏振光下的影响犹如“裱花”图样，被称为“甜甜圈”的“裱花”版。
这些发现和照片给出了黑洞的最直接证据，并揭示了M87外的磁场。更重要的科学意义在于，黑洞的发现，为众多的天体物理和基础物理问题提供了全新的研究手段。
比如黑洞的直接成像将可以用作极轻粒子的“探针”。
1969年，著名数学家和物理学家罗杰·彭罗斯做过的一个思想实验，他提出，即假设有人将一块石头扔进一个快速旋转的黑洞，石头有一定的机会以比之前更大的速度逃逸，而它所携带的额外能量来自黑洞的旋转。
论文通讯作者舒菁告诉《中国科学报》，当考虑量子力学中的波粒二象性（粒子或量子同时具有粒子性和波动性）后，我们可以用旋转黑洞外的波代替石头。
“波可以通过从黑洞中提取角动量来形成密集的云，这一过程被称为超辐射机制。为了使这一过程发生，要求玻色子的康普顿波长与黑洞的视界大小相当。因此，超大质量黑洞成了极轻粒子的天然探测器!”舒菁说。
轴子驱动“跳舞”
“我们对极轻粒子可以在黑洞外聚集的想法很着迷。我们意识到，如果极轻的轴子存在，并且和与可见光之间存在相互作用，它们会让裱花的‘甜甜圈’跳舞！”舒菁说。
在2020年，舒菁团队与合作者在《物理评论快报》发文，指出EHT的偏振数据有望探索超轻质量轴子暗物质的存在，从而对粒子物理领域也有着深刻的影响力，该研究中也提出了轴子让裱花的“甜甜圈”跳舞的理论方案。
事实上，在超越粒子物理学标准模型预言的各种极轻粒子中，轴子是最重要的候选者之一。寻找轴子是粒子物理学的首要任务之一，在许多基本理论如弦理论中被广泛预言存在。轴子也是一个完美的冷暗物质“候选者”，因为在极轻质量窗口，星系的一些小尺度问题有可能被轴子在星系中心形成平坦的分布所解决。
超大质量黑洞是探索黑洞附近轴子的一把“利器”。当最重天体与可能为最轻带质量轴子结合时，会发生奇妙的现象。即轻质量的轴子在黑洞附近会形成一片云，和黑洞组成引力原子系统。附着在黑洞视界周围的轴子云，在不断抽取黑洞自转能的过程中，将达到非常高的密度，远超过在太阳系附近的暗物质气体。
“除了纯粹的引力效应，轴子的存在也能使线偏振的方向产生额外的周期性旋转，周期在5到20天之间。偏振角的变化表现为沿着明亮的光环方向传播的波，这时，裱花图案的舞蹈犹如有一个特定模式，而不是像‘醉汉’的随机行走。”舒菁告诉《中国科学报》。
论文作者之一、理论物理研究所博士后陈一帆解释，所谓“跳舞”是指，“裱花”版黑洞以一个特定的形式震荡，在时间上以一个固定的周期旋转，在空间上绕着甜甜圈的方向有一个特殊的舞步。“我们可以通过比较黑洞附近偏振的分布及其随时间的演化，来确认是否存在轴子引起的偏振角的‘跳舞’。”
在该研究中，EHT连续4天测量了在M87附近发射的辐射线性偏振，提供了4天的线性偏振方向的高分辨率图像，这正是研究人员探索轴子所需要的信息。
舒菁表示，利用裱花图样4天变化的不同情况，我们可以使轴子和光子之间的耦合突破到以前未曾探索的区域。“‘跳舞’是我们预言的轴子如果存在的信号形式，如果没有看到‘跳舞’的形式，可以限制轴子的参数区间，比过去的限制都要强。”
期待更多数据探测更多奥秘
“为了降低吸积流的湍流变化的不确定度，我们引入了一种新的分析策略，将两个连续天之间的差异作为观测量来限制轴子引起的线偏振方向变化。”陈一帆说，未来，通过提供更详细的数据，特别是更多连续时间观测和更好的空间分辨率，可以探测到更大的参数空间。
舒菁表示，这是第一次理论提出黑洞事件视界望远镜探测轴子这一超轻新粒子，并与合作者进行了实际观测，是一项理论与实验结合非常密切的研究。
“我非常乐意建议发表这篇论文。”审稿人给出高度评价，该研究对轴子—光子耦合常数的最终约束是迄今为止最严格的，比以前的界限高出1-2个数量级，这是对EHT数据的有力应用以解决当代粒子物理界感兴趣的问题。所采用的技术策略可以在未来EHT所观测的更高质量的M87数据，以及其他超大质量黑洞数据上。
“我们还能从这些美丽的图像中了解到什么？”这是中国科学院理论物理研究所研究员舒菁一直在思索的问题。
近日，舒菁团队联合国内外研究团队，利用偏振图像的变化，对一种被称为轴子的新粒子和可见光子之间的耦合给出了一个新的约束，到达过去未曾探索过的区域。该研究发表在最新一期的《自然—天文》杂志。
用“最重”黑洞探寻“最轻”粒子
2019年，结合地球各地望远镜的观测结果，EHT合作组织公布了一张分辨率极高的超大质量黑洞M87的照片。
闪亮的“甜甜圈”状结构来自于黑洞周围吸积流的辐射——黑洞吞噬了中心区域的光线，在“甜甜圈”内形成了一个大阴影。两年后，EHT合作组织更新了同一张照片，在原有基础上带来了更精细的结构——表示线偏振方向（EVPA）的纹理线，黑洞在线偏振光下的影响犹如“裱花”图样，被称为“甜甜圈”的“裱花”版。
这些发现和照片给出了黑洞的最直接证据，并揭示了M87外的磁场。更重要的科学意义在于，黑洞的发现，为众多的天体物理和基础物理问题提供了全新的研究手段。
比如黑洞的直接成像将可以用作极轻粒子的“探针”。
1969年，著名数学家和物理学家罗杰·彭罗斯做过的一个思想实验，他提出，即假设有人将一块石头扔进一个快速旋转的黑洞，石头有一定的机会以比之前更大的速度逃逸，而它所携带的额外能量来自黑洞的旋转。
论文通讯作者舒菁告诉《中国科学报》，当考虑量子力学中的波粒二象性（粒子或量子同时具有粒子性和波动性）后，我们可以用旋转黑洞外的波代替石头。
“波可以通过从黑洞中提取角动量来形成密集的云，这一过程被称为超辐射机制。为了使这一过程发生，要求玻色子的康普顿波长与黑洞的视界大小相当。因此，超大质量黑洞成了极轻粒子的天然探测器!”舒菁说。
轴子驱动“跳舞”
“我们对极轻粒子可以在黑洞外聚集的想法很着迷。我们意识到，如果极轻的轴子存在，并且和与可见光之间存在相互作用，它们会让裱花的‘甜甜圈’跳舞！”舒菁说。
在2020年，舒菁团队与合作者在《物理评论快报》发文，指出EHT的偏振数据有望探索超轻质量轴子暗物质的存在，从而对粒子物理领域也有着深刻的影响力，该研究中也提出了轴子让裱花的“甜甜圈”跳舞的理论方案。
事实上，在超越粒子物理学标准模型预言的各种极轻粒子中，轴子是最重要的候选者之一。寻找轴子是粒子物理学的首要任务之一，在许多基本理论如弦理论中被广泛预言存在。轴子也是一个完美的冷暗物质“候选者”，因为在极轻质量窗口，星系的一些小尺度问题有可能被轴子在星系中心形成平坦的分布所解决。
超大质量黑洞是探索黑洞附近轴子的一把“利器”。当最重天体与可能为最轻带质量轴子结合时，会发生奇妙的现象。即轻质量的轴子在黑洞附近会形成一片云，和黑洞组成引力原子系统。附着在黑洞视界周围的轴子云，在不断抽取黑洞自转能的过程中，将达到非常高的密度，远超过在太阳系附近的暗物质气体。
“除了纯粹的引力效应，轴子的存在也能使线偏振的方向产生额外的周期性旋转，周期在5到20天之间。偏振角的变化表现为沿着明亮的光环方向传播的波，这时，裱花图案的舞蹈犹如有一个特定模式，而不是像‘醉汉’的随机行走。”舒菁告诉《中国科学报》。
论文作者之一、理论物理研究所博士后陈一帆解释，所谓“跳舞”是指，“裱花”版黑洞以一个特定的形式震荡，在时间上以一个固定的周期旋转，在空间上绕着甜甜圈的方向有一个特殊的舞步。“我们可以通过比较黑洞附近偏振的分布及其随时间的演化，来确认是否存在轴子引起的偏振角的‘跳舞’。”
在该研究中，EHT连续4天测量了在M87附近发射的辐射线性偏振，提供了4天的线性偏振方向的高分辨率图像，这正是研究人员探索轴子所需要的信息。
舒菁表示，利用裱花图样4天变化的不同情况，我们可以使轴子和光子之间的耦合突破到以前未曾探索的区域。“‘跳舞’是我们预言的轴子如果存在的信号形式，如果没有看到‘跳舞’的形式，可以限制轴子的参数区间，比过去的限制都要强。”
期待更多数据探测更多奥秘
“为了降低吸积流的湍流变化的不确定度，我们引入了一种新的分析策略，将两个连续天之间的差异作为观测量来限制轴子引起的线偏振方向变化。”陈一帆说，未来，通过提供更详细的数据，特别是更多连续时间观测和更好的空间分辨率，可以探测到更大的参数空间。
舒菁表示，这是第一次理论提出黑洞事件视界望远镜探测轴子这一超轻新粒子，并与合作者进行了实际观测，是一项理论与实验结合非常密切的研究。
“我非常乐意建议发表这篇论文。”审稿人给出高度评价，该研究对轴子—光子耦合常数的最终约束是迄今为止最严格的，比以前的界限高出1-2个数量级，这是对EHT数据的有力应用以解决当代粒子物理界感兴趣的问题。所采用的技术策略可以在未来EHT所观测的更高质量的M87数据，以及其他超大质量黑洞数据上。
本文专家:王莉，河北省张家口市宣钢医院神经内科主治医师本文审稿:韩红钰，唐山市南湖医院皮肤科，副主任医师昨天有小伙伴在评论区给小编留言说想了解一下关于白发的问题这不今天立马就安排了白头发被人们当作是变老的特征之一随着人的年纪越来越大脸上长了皱纹头发也变得花白但有一部分人在年轻的时候也长出了白发我们称之为“少白头”也有些人生活中遇到重大变故时有过“一夜愁白头”的经历黑发到白发都经历了什么？少白头又是... https://t.cn/A6JJL1sl
#南京记忆# 观音门是何时拆除的
张智峰
观音门为南京外郭十八门之一，是唯一留有照片的外郭城门。出了观音门，就是燕子矶。民国时期，大多数到燕子矶的游客，都会穿观音门而过。于是，观音门就成了民国游记里的常客。如今，观音门早已不复存在，我们也只能通过民国文献里有关观音门的只言片语，恢复对观音门的记忆。
观音门位于南京外郭最北端，临近江边燕子矶，西南接佛宁门，东南连姚坊门，“距下关约六英里”。建于明洪武二年（1390）四月，因地处观音山山谷之间，故名观音门。
据《南京城墙志》记载，民国初期，观音门及城楼保存尚好，城楼已被佛宁门僧侣所占。后因筑路，在拆除城楼后不久，也将城门拆除。如今，该门遗址已多不识。
既然观音门被拆除，那么，是什么时间拆除的呢？带着这个疑问，笔者翻阅了一些文献，均未找到准确答案。权威的《南京城墙志》，只记载了观音门的建造时间，而没有给出观音门的拆除时间。
据笔者所知，南京所有明外郭城门的拆除时间，要么不详，要么模糊。如果观音门拆除时间能够弄清，至少可以填补南京明外郭的历史，并且还可以完善《南京城墙志》之缺。
那么，观音门到底是什么时间拆除的呢？还是先来梳理一下，民国游记里对观音门的描述。
1925年，王桐岭在《江浙旅行记》提到了观音门。他说：“十一点十分，行八里，至观音门，门为江宁外郭门，因幕府山为城，无城墙，门在山口峻坡上，出入皆须上坡，出门下坡，不半里，至观音门镇。”
王桐岭《江浙旅行记》对观音门的描述，算是比较详细了。观音门无城墙，“门在山口峻坡上，出入皆须上坡”。这个记载与老照片中的观音门，可相互印证。
1926年出版的《燕子矶小学》一书，载有张宗麟、胡家健、沈子善合著的《燕子矶乡村小学参观记》一文，文中也记载了观音门。文章说：“忽然马车停住在一个城门口，我们知道目的地到了，下车出城（观音门）寻到了燕子矶小学的时候，还没有八点钟。”从这段记载可以看出，作者乘马车到观音门前下车，然后出观音门，到燕子矶小学参观的。
1928年创刊的《津浦之声》，刊载了笔名“醉”的文章《燕子矶岩山十二洞游记》，文中也提到了观音门：“观音门，在幕府山之东麓，由燕子矶下山，沿江西行，遥望所谓观音门者，不过沿半山之麓，建一小庙，庙前有一类似回廊之木棚，两端各有墙，西端之墙上横书‘观音门’三字，过此门……”。
对《燕子矶岩山十二洞游记》的作者而言，远看观音门，如同一座小庙宇。根据记载可知，观音门前不仅有像回廊一样的木棚，而且观音门的两侧还有墙。尤其值得一提的是，文中记载了在西边一侧的墙上，书写着“观音门”三个字。从观音门旧照中，也能看到“观音门”三个字。只是“观音门”三字，出自何人之手，文中并没有说明。
根据上述所引用的资料，到了1928年时，观音门仍然存在，没有被拆除。
著名学者朱偰在其所著《金陵古迹图考》（1936年出版）中说：“外郭周一百八十里，利用城然土坡，未起城垣，然外郭城门，（如高桥门）尚有存者，重关屹立，形势嵯峨，惜今日因筑路关系，渐次拆毁，（如观音门，三年前尚存）亦可叹已。”由于该书有朱偰先生作于民国二十三年（1934）十月十八日的序，据此推测，观音门拆除于1931年至1934年之间。
虽然，朱偰先生提到了观音门拆除时间，但三年的时间，比较宽泛。近读两则民国资料，基本可以确定观音门的拆除时间了。
1933年5月16日在南京出版的《自觉》杂志第12期中，笔者查阅到一位笔名“千里”所著的《幕府纪游》。
从《幕府纪游》的记载来看，作者“千里”到幕府山、燕子矶旅行的时间为1933年4月30日。文章说：“自北伐成功，建都南京，首尾已有七年了。”1927年，国民政府定都南京，到1933年，正好是首尾七年。“时已三时半，遂乘车而返，返时，取道山阳，出观音门，燕子矶头为山岗所蔽，回头看不到。”作者是下午三时半从燕子矶返回的，出了观音门后，作者还想回头看看燕子矶，却因山岗及建在山岗间的观音门所遮挡，并没有看见燕子矶。由“出观音门”这句话，可以证实，在1933年4月底的时候，观音门是存在的。
1934年10月1日，江宁自治实验县政府编辑出版了《江宁县政概况》。据该书记载：“和燕路为自和平门至燕子矶之孔道，长八公里。燕子矶为首都附近著名名胜，凡游历或道经南京者，莫不以一临此矗立江边之小山为快。游客往来，向称频繁，每届季节，及星期假日，尤有车水马龙之慨……而观音门土城，高坡阻塞，使车辆不能直达燕子矶镇，尤为交通之大碍。去年冬间，县政府鉴于该路之重要，乃派养路工程队将路基放宽，并招商翻修路面，工程费七千余元，已于今年二月底完成。至开錾观音门高坡土方，则由燕子矶农民所组织之合作社承包，利用农闲，从事工作，工价共二千一百余元，费时仅四十日。自观音门土坡开平及路面翻修完成以后，向日崎岖窄塞，行人咸有戒心之和燕路，已变为宽平之康庄大道。现县市划界实行交割，该路已尽入南京市政府范围矣。”
《江宁县政概况》显示，由于观音门建在高坡上，阻碍了来往车辆直达燕子矶。因而，在1933年冬，当时的江宁县政府有鉴于此，拓宽了和燕路，于1934年2月间完成了道路建设。既然，和燕路变成了“宽平之康庄大道”，那么，说明观音门也就不再是“尤为交通之大碍”，这样的结果是，观音门在这次拓宽和燕路的过程中，被拆除。这与朱偰在文中指出的“惜今日因筑路关系，渐次拆毁”，是相吻合的。
综合《金陵古迹图考》、《幕府纪游》和《江宁县政概况》三份资料，毫无疑问，观音门拆除于1933年冬至1934年2月之间。如此，观音门就成为南京外郭城门中，到目前为止第一座有具体拆除时间的城门了。
审稿：李智文
审核：王达云
窦予然
发布：梁 刚
张智峰
观音门为南京外郭十八门之一，是唯一留有照片的外郭城门。出了观音门，就是燕子矶。民国时期，大多数到燕子矶的游客，都会穿观音门而过。于是，观音门就成了民国游记里的常客。如今，观音门早已不复存在，我们也只能通过民国文献里有关观音门的只言片语，恢复对观音门的记忆。
观音门位于南京外郭最北端，临近江边燕子矶，西南接佛宁门，东南连姚坊门，“距下关约六英里”。建于明洪武二年（1390）四月，因地处观音山山谷之间，故名观音门。
据《南京城墙志》记载，民国初期，观音门及城楼保存尚好，城楼已被佛宁门僧侣所占。后因筑路，在拆除城楼后不久，也将城门拆除。如今，该门遗址已多不识。
既然观音门被拆除，那么，是什么时间拆除的呢？带着这个疑问，笔者翻阅了一些文献，均未找到准确答案。权威的《南京城墙志》，只记载了观音门的建造时间，而没有给出观音门的拆除时间。
据笔者所知，南京所有明外郭城门的拆除时间，要么不详，要么模糊。如果观音门拆除时间能够弄清，至少可以填补南京明外郭的历史，并且还可以完善《南京城墙志》之缺。
那么，观音门到底是什么时间拆除的呢？还是先来梳理一下，民国游记里对观音门的描述。
1925年，王桐岭在《江浙旅行记》提到了观音门。他说：“十一点十分，行八里，至观音门，门为江宁外郭门，因幕府山为城，无城墙，门在山口峻坡上，出入皆须上坡，出门下坡，不半里，至观音门镇。”
王桐岭《江浙旅行记》对观音门的描述，算是比较详细了。观音门无城墙，“门在山口峻坡上，出入皆须上坡”。这个记载与老照片中的观音门，可相互印证。
1926年出版的《燕子矶小学》一书，载有张宗麟、胡家健、沈子善合著的《燕子矶乡村小学参观记》一文，文中也记载了观音门。文章说：“忽然马车停住在一个城门口，我们知道目的地到了，下车出城（观音门）寻到了燕子矶小学的时候，还没有八点钟。”从这段记载可以看出，作者乘马车到观音门前下车，然后出观音门，到燕子矶小学参观的。
1928年创刊的《津浦之声》，刊载了笔名“醉”的文章《燕子矶岩山十二洞游记》，文中也提到了观音门：“观音门，在幕府山之东麓，由燕子矶下山，沿江西行，遥望所谓观音门者，不过沿半山之麓，建一小庙，庙前有一类似回廊之木棚，两端各有墙，西端之墙上横书‘观音门’三字，过此门……”。
对《燕子矶岩山十二洞游记》的作者而言，远看观音门，如同一座小庙宇。根据记载可知，观音门前不仅有像回廊一样的木棚，而且观音门的两侧还有墙。尤其值得一提的是，文中记载了在西边一侧的墙上，书写着“观音门”三个字。从观音门旧照中，也能看到“观音门”三个字。只是“观音门”三字，出自何人之手，文中并没有说明。
根据上述所引用的资料，到了1928年时，观音门仍然存在，没有被拆除。
著名学者朱偰在其所著《金陵古迹图考》（1936年出版）中说：“外郭周一百八十里，利用城然土坡，未起城垣，然外郭城门，（如高桥门）尚有存者，重关屹立，形势嵯峨，惜今日因筑路关系，渐次拆毁，（如观音门，三年前尚存）亦可叹已。”由于该书有朱偰先生作于民国二十三年（1934）十月十八日的序，据此推测，观音门拆除于1931年至1934年之间。
虽然，朱偰先生提到了观音门拆除时间，但三年的时间，比较宽泛。近读两则民国资料，基本可以确定观音门的拆除时间了。
1933年5月16日在南京出版的《自觉》杂志第12期中，笔者查阅到一位笔名“千里”所著的《幕府纪游》。
从《幕府纪游》的记载来看，作者“千里”到幕府山、燕子矶旅行的时间为1933年4月30日。文章说：“自北伐成功，建都南京，首尾已有七年了。”1927年，国民政府定都南京，到1933年，正好是首尾七年。“时已三时半，遂乘车而返，返时，取道山阳，出观音门，燕子矶头为山岗所蔽，回头看不到。”作者是下午三时半从燕子矶返回的，出了观音门后，作者还想回头看看燕子矶，却因山岗及建在山岗间的观音门所遮挡，并没有看见燕子矶。由“出观音门”这句话，可以证实，在1933年4月底的时候，观音门是存在的。
1934年10月1日，江宁自治实验县政府编辑出版了《江宁县政概况》。据该书记载：“和燕路为自和平门至燕子矶之孔道，长八公里。燕子矶为首都附近著名名胜，凡游历或道经南京者，莫不以一临此矗立江边之小山为快。游客往来，向称频繁，每届季节，及星期假日，尤有车水马龙之慨……而观音门土城，高坡阻塞，使车辆不能直达燕子矶镇，尤为交通之大碍。去年冬间，县政府鉴于该路之重要，乃派养路工程队将路基放宽，并招商翻修路面，工程费七千余元，已于今年二月底完成。至开錾观音门高坡土方，则由燕子矶农民所组织之合作社承包，利用农闲，从事工作，工价共二千一百余元，费时仅四十日。自观音门土坡开平及路面翻修完成以后，向日崎岖窄塞，行人咸有戒心之和燕路，已变为宽平之康庄大道。现县市划界实行交割，该路已尽入南京市政府范围矣。”
《江宁县政概况》显示，由于观音门建在高坡上，阻碍了来往车辆直达燕子矶。因而，在1933年冬，当时的江宁县政府有鉴于此，拓宽了和燕路，于1934年2月间完成了道路建设。既然，和燕路变成了“宽平之康庄大道”，那么，说明观音门也就不再是“尤为交通之大碍”，这样的结果是，观音门在这次拓宽和燕路的过程中，被拆除。这与朱偰在文中指出的“惜今日因筑路关系，渐次拆毁”，是相吻合的。
综合《金陵古迹图考》、《幕府纪游》和《江宁县政概况》三份资料，毫无疑问，观音门拆除于1933年冬至1934年2月之间。如此，观音门就成为南京外郭城门中，到目前为止第一座有具体拆除时间的城门了。
审稿：李智文
审核：王达云
窦予然
发布：梁 刚
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