近日，中科院高能所理论物理室任婧副研究员及合作者在利用天文观测寻找新物理现象方面提出了新的实验方案。基于脉冲星计时阵列（Pulsar Timing Arrays）已获得的观测数据，他们提出发展脉冲星极化阵列（Pulsar Polarization Arrays）以增强现有数据探索天体物理学和基础物理学的能力，并以超轻类轴子暗物质的探测为例论证了脉冲星极化阵列的物理潜力。该成果于3月23日发表在《物理评论快报》上。
银河系中存在大量稳定转动的毫秒脉冲星，其脉冲到达时间可确定到极高精度。脉冲星计时阵列通过对数十颗毫秒脉冲星进行长时间监测，形成星系尺度的干涉仪，以探测nHz波段的甚低频引力波。除了作为时钟，脉冲星也是典型的线偏振光源。在脉冲星计时观测中，脉冲的极化信息为校准的需要通常也会被记录下来。基于这些已经存在的极化数据，任婧等建议发展脉冲星极化阵列，以充分利用相应的观测资源。与脉冲星计时阵列类似，极化阵列非常适合探测在较大尺度具有时间和空间关联的信号，通过特征性关联来减少噪声干扰。为论证脉冲星极化阵列的物理潜力，他们以超轻类轴子暗物质为例进行了讨论。超轻类轴子因为其微小质量可形成玻色-爱因斯坦凝聚，是波动型暗物质的典型候选者。由于类轴子与电磁波有破坏宇称的Chern-Simons耦合，脉冲的线性极化角在暗物质场中传播时会转动，即发生宇宙双折射现象。与随机引力波信号相比，超轻类轴子暗物质诱导的双折射现象具有独特的时空关联特征。在10^(-27)-10^(-21)eV的质量范围，脉冲星极化阵列对超轻类轴子暗物质Chern-Simons耦合的限制可以达到10^(-14)-10^(-17)GeV^(-1)，与现有观测形成了很好的补充。审稿人认为脉冲星极化阵列的提议涵盖粒子物理学、天体物理学和宇宙学等不同方面，会引起广泛关注和兴趣。
该论文作者（按姓氏排序）为香港科技大学的刘滔副教授、2021年毕业的香港科技大学本科生娄许子祥以及高能所的任婧副研究员。该项工作得到了香港研究资助局 (RGC)的合作研究项目(CRF)和国家自然科学基金委的支持。
图：脉冲星极化阵列对超轻类轴子暗物质耦合常数的预期限制
相关成果链接：
《物理评论快报》发表文章：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.121401
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