摘要：近日，北京大学物理学院舒菁教授与合作者在黑洞物理与暗物质研究交叉领域取得重要进展。研究团队基于事件视界望远镜（EHT）的观测背景，首次提出利用黑洞阴影中心区域作为暗物质湮灭信号的关键探测窗口。通过在磁约束吸积流模型下构建电子–正电子产生与辐射的解析框架，研究揭

近日，北京大学物理学院舒菁教授与合作者在黑洞物理与暗物质研究交叉领域取得重要进展。研究团队基于事件视界望远镜（EHT）的观测背景，首次提出利用黑洞阴影中心区域作为暗物质湮灭信号的关键探测窗口。通过在磁约束吸积流模型下构建电子–正电子产生与辐射的解析框架，研究揭示：若暗物质在黑洞附近形成高密度分布，其湮灭辐射将显著改变阴影区域的亮度；反之，阴影保持极暗则意味着暗物质湮灭截面受到严格限制。2025年9月16日，该研究成果以“利用暗物质湮灭点亮黑洞阴影”(Illuminating Black Hole Shadows with Dark Matter Annihilation) 为题，发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters），以编辑推荐论文（Editors’ Suggestion）被选为了当期的封面文章。

图1：《物理评论快报》第135卷第12期封面。其中封面图供图为舒菁组该论文作者。

2019 年，事件视界望远镜（EHT）第一次为人类带来了黑洞的直接照片。这一突破不仅把黑洞这一广义相对论的极端预言变为可见的影像，也让黑洞阴影的大小、形状、亮度分布成为可以量化的实验对象。它们既是验证爱因斯坦理论的标尺，也可能是探索未知物理的全新舞台。从引力修正，到极轻暗场与暗物质效应，黑洞阴影正在成为研究宇宙深层规律的天然实验室。

本研究发现：如果暗物质在星系中心的超大质量黑洞附近致密聚集，其湮灭产生的正负电子会在磁场中发出同步辐射，从而可能点亮原本漆黑的中心阴影。换句话说，黑洞照片的最暗之处，或许正是搜寻暗物质踪迹的理想场所。若观测中阴影依旧保持黑暗，则意味着暗物质的湮灭过程必须极为微弱，由此对其性质施加约束。研究团队在与 EHT 数据符合的磁约束吸积流（MAD）模型背景下，发展了正负电子传播与辐射的解析框架，直接比较黑洞内阴影区域的亮度分布。相比传统使用黑洞总亮度的研究，这样的方法不仅放大了搜寻信号的灵敏度，也减少了吸积盘状态、等离子体效应等天体物理不确定性的干扰。随着 EHT 分辨率和动态范围的持续提升，这种方法有望显著提高对暗物质湮灭截面的限制能力。

图2：M87* 的数值模拟。左图为仅含吸积流的情况，中心阴影边界清晰（绿色曲线标出）；右图为考虑暗物质湮灭辐射时的结果，中心阴影被明显填亮。

图3：基于 EHT 的暗物质湮灭参数约束与未来观测前景。

北京大学物理学院舒菁教授、丹麦尼尔斯波尔所博士后陈一帆、上海李政道研究所长聘学者Yosuke Mizuno、安徽大学副教授丁然、为本文的共同通讯作者。合作者还包括北大物理学院博士研究生于海跃，舒菁课题组博士生曾彦杰、刘雨鑫。按照高能物理学界惯例，作者按照姓氏字母顺序署名。本项目获得了国家自然科学基金委、科技部、北京大学物理学院的支持。

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