暗物质约占宇宙物质总量的85%，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，可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，导致线偏振面随时间发生周期性旋转。这一效应被称为“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。
近日，中国科学院紫金山天文台在利用耀变体光学偏振观测探测超轻轴子暗物质方面取得进展。研究团队基于耀变体1ES 1959+650近十年的光学偏振监测数据，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，并给出类轴子—光子耦合强度的新上限。
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2008年10月至2018年6月近十年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，团队假设宿主星系中心附近具有特征暗物质密度，在类轴子质量范围约1.4×10-23eV至5.2×10-20eV内，得到类轴子—光子耦合强度上限。在孤子核暗物质密度分布假设下，团队在相同质量范围内得到耦合强度上限。
研究所得的约束在部分质量区间内优于现有天体偏振观测限制，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新途径。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。
相关研究成果发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部、中国科学院等的支持。
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
