在過去的幾年中，物理學有兩件振奮人心的發現：
2012年，科學家發現了所謂的上帝粒子——希格斯玻色子，這是科學家苦苦追尋了近50年的一個粒子。希格斯玻色子的發現填補了粒子物理學標準模型的最後一塊拼圖。
2016年，愛因斯坦100年前就被預言存在的引力波終於在激光干涉引力波天文臺（LIGO）中被探測到了。從此打開了天文學的一個新時代——引力波天文學時代。
而在今年的4月5日-14日，科學家將利用一個地球大小的望遠鏡來拍攝黑洞的第一張照片。這絕對將是今年度最大的科學新聞之一。
儘管這些都是激動人心的時刻，但物理學家一直翹首以盼著“新物理”的出現。
在上面，我提到了三個關鍵詞：粒子、引力波和黑洞。當然，下面我要提到的粒子並不是希格斯玻色子，而是一種未被發現的假想粒子，被稱作軸子（Axion）。一群理論物理學家以一種令人欣喜的方式將這三者聯繫在了一起。他們認為，如果軸子存在，並且有正確的質量，那麼一個旋轉的黑洞就會產生一團由軸子構成的巨大粒子云，接著就會產生類似去年探測到的引力波。如果這個想法正確，那麼LIGO就可以間接的證明軸子的存在。
△ 最新計算表明，一個旋轉的黑洞（白色）會產生巨大的軸子云（藍色），緊接著它們應該會產生可被探測到的引力波。（圖片來源：Masha Baryakhtar）
當一顆大質量恆星演化到生命的末期時，它會在自身的引力下坍縮至一個點，形成黑洞。黑洞有著非常強大的引力場，在那個點的特定距離下——即黑洞的“事件視界”——引力強大到即使是光也無法逃脫。當兩個黑洞相互對撞時，它們會產生引力波——時空結構的漣漪。2016年，LIGO首次被探測到黑洞合併時輻射出的引力波。
△ 黑洞在合併前慢慢旋進在一起，並輻射出引力波。（圖片來源： ESA–C.Carreau）
那麼軸子呢？這裡需要注意的是，不像黑洞和引力波，我們並不確定軸子是否存在，在過去的四十年中我們一直在尋找它們的蹤跡。軸子是在1970年代的時候，為了解釋在夸克和膠子（構成質子和中子的粒子）理論中的數學對稱性而被提出來的。軸子是暗物質（佔據了宇宙物質總量的85%）的候選者之一。粒子物理學家一直在實驗中試圖利用磁場將它們轉換成光子以確認它們的存在。
加拿大圓周率理論物理研究所的物理學家Asimina Arvanitaki和Masha Baryakhtar領導的一個團隊在《物理學評論快報》發表了一篇論文提出，如果軸子的質量正如我們所預料的，那麼它們可以在旋轉的黑洞周圍形成巨大的粒子云。
你可以把他們的想法想象成在原子模型中所發生的事情：一個黑洞就像是原子核，位於一個巨大、假想的“引力原子”中心。軸子位於這個原子核的軌道上，就像是電子圍繞著普通原子運動一樣。正如在原子中所發生的一樣，軸子在黑洞周圍跳來跳去以獲得或失去能量，就像電子一樣。但是，電子是通過電磁力作用的，因此它們會釋放電磁波，或光波。軸子會通過引力作用，因此會釋放引力波。
如果軸子的質量在正確的範圍內，那麼在黑洞軌道上的軸子會經歷一個稱為“超輻射”的過程。超輻射已經在許多實驗中都被觀測到，它會導致在特定類型的激光中輻射出大量的光子。如果軸子游蕩在黑洞視界很近的地方，但沒有越界，那麼黑洞的旋轉會增加軸子的能量。由於軸子是一個量子粒子，並且有些性質像光子，那麼能量的增加就會製造更多的軸子。這些增加的軸子會在黑洞邊經歷同樣的過程，最後會產生高達10的80次方個軸子圍繞著黑洞，這個數字跟整個宇宙中的原子數量一樣。
要使這個過程能夠發生有一個關鍵的條件需要達到。一個量子粒子（比如軸子）會表現出波的行為，粒子的質量約輕，波長越長。為了使超輻射能夠發生，軸子的波長必須跟黑洞的寬度一樣大。因此軸子的質量就必須非常的小：大約是現在實驗所能夠探測到的質量範圍的1/10,000,000和1/10,000之間。
同時，這些軸子也不會亂七八糟的出現，而是會組團在一起，形成一個巨大的粒子云，就像原子中的電子雲。在雲內，軸子之間的相遇湮滅會產生傳遞引力的引力子——另一個假想粒子。引力子之於引力波，正如光子之於光。Baryakhtar和她的團隊認為，這些引力子會向宇宙中傳遞連續的波，其頻率由軸子的質量決定。
隨著LIGO的靈敏度的不斷提高，研究人員預計LIGO在一年內就可以探測到上千個這樣的來源。雖然追蹤到這些連續的信號要比探測到合併黑洞的爆發難的多，但只要探測到一些相同頻率的來源就將是軸子的確鑿證據。
△ 軸子（A）會是眾多暗物質候選者中的黑馬嗎？（圖片來源：Artwork by Sandbox Studio, Chicago）
當然，這個理論要成功就意味著軸子必須有非常特定的質量，而這並不是當前暗物質模型所預測的最理想質量。儘管如此，有一些物理學家對此表示異常興奮，例如麻省理工的理論粒子物理學家Benjamin Safdi認為這是他見過最有潛力發現新物理的一篇論文。