揭秘宇宙奥秘：预测微引力透镜事件的研究进展

揭秘宇宙奥秘：预测微引力透镜事件的研究进展

作者：苏婕、王建成

引言：

2023 年 11 月 7 日，国际顶级天文学术期刊《皇家天文学会月报》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，MNRAS）在线发表了云南天文台天体测量及应用研究组苏婕、王建成等人关于天体测量型微引力透镜事件预测研究的最新成果[1]，该成果还被北美的天文时事网站“Universe Today”报道[2]。

一、关于引力透镜：探索宇宙的神秘之眼

引力透镜是研究银河系和系外天体的一种非常强大的工具，它可以探索银河系的质量分布，搜寻银河系内的暗物质，确定宇宙膨胀的速率，测定哈勃常数，发现遥远的星体和系外行星。引力透镜现象是背景源天体发出的光线在经过一个前景天体（透镜天体）时发生偏转而产生的物理现象，当透镜天体为恒星时，引力偏转效应非常微弱，被称为微引力透镜效应。

微引力透镜事件的观测研究可以从两种现象着手：（1）由于光线被透镜星汇聚，导致观测到背景星的亮度增强，能探测到这个现象的微引力透镜被称为测光型微引力透镜[3, 4]（图1所示）。目前，绝大部分的测光型微引力透镜事件都能被监测和研究, 例如波兰华沙大学的引力透镜实验[5]（Optical Gravitational Lensing Experiment，简称OGLE）、新西兰和日本合作的天体物理微引力透镜观测项目[6]（Microlensing Observations in Astrophysics, 简称 MOA）等；（2）由于透镜星的引力作用，使得观测到背景星的位置发生变化，能探测到这种位置变化的微引力透镜被称为天体测量型微引力透镜[7-9]。

图1：透镜星引起背景星的亮度变化

天体测量型微引力透镜是目前唯一可以直接测量单颗恒星质量的工具，已经被证明其质量测量的不确定度在10%以内，有望达到1%。此外，天体测量型微引力透镜不需要测量透镜星的光度，因此可以探测更暗弱的致密天体，例如孤立的中子星、黑洞等。

二、微引力透镜事件的观测与挑战

虽然天体测量型微引力透镜的研究具有非常重要的科学意义，并且是我们探索宇宙重要而有用的工具,但是天体测量型微引力透镜事件的探测却极其困难，爱因斯坦甚至认为这是一个不可能被观测到的现象，因为背景星像的位置分离量非常小，大部分事件都只有微角秒（太阳视直径的十亿分之一），只有少量事件能达到几个毫角秒（太阳视直径的百万分之一），这对仪器设备、图像处理的精度要求非常高。幸运的是，随着人类科学技术的进步，空间望远镜的精度越来越高，终于在2017年Sahu等[10]利用哈勃望远镜（Hubble Space Telescope, 简称 HST）首次观测到了天体测量型微引力透镜现象（图2所示），透镜星为白矮星Stein2051b，计算其质量为(0.675 ± 0.051)𝑀⊙，精度达8%。

图 2：天体测量型微引力透镜事件的哈勃望远镜图像（Sahu等[10]）

注: 这是首次探测到天体测量型微引力透镜事件。哈勃望远镜的图像显示了距离地球较近的白矮星 Stein 2051B 从一颗遥远的背景星前通过，产生微引力透镜事件。

目前，天体测量型微引力透镜事件仍是极难被探测到的，只有少数几次观测[11, 12]，除了仪器精度的限制外，还有一个主要的原因是：Gaia 卫星数据问世之前的天体测量数据不够精确，导致天体测量型微引力透镜事件的预测有较多的不确定因素。由于微引力透镜事件发生的概率非常小（大约 2.5 × 10-5[13]），仅发生于三星（背景星、透镜星和地球）非常接近共线的事件，能否提前精确预测发生的时间和位置是成功探测天体测量型微引力透镜事件的决定因素。因此，对天体测量型微引力透镜事件进行预测研究，具有非常重要的科学意义。

三、云南天文台研究成果

从海量的 Gaia DR3 数据中，精准预测天体测量型微引力透镜事件发生的时间和位置，对空间和地面大望远镜成功观测这一事件至关重要。该团组研究人员利用Gaia DR3数据，挑选具有高自行、近距离和大质量的恒星，它们是更易产生微引力透镜事件的潜在透镜星，总数大约820000颗，从而建立了更纯正、更完备的透镜星样本库。研究人员发展了二次配对算法寻找可能的背景星，获得27057个初步配对的星对，并通过计算星对在2010年-2070年时间范围内的少量相对位置数据点，找出星对最接近时刻和位置，进一步排除双星、共同运动星对和伪星，最终从海量的Gaia DR3数据中找到4500个天体测量型微引力透镜预测事件，这些事件由 3558颗透镜星引起，其中有1664个事件为新的预测事件，有293颗透镜星可以引起两个或两个以上的预测事件，特别有趣的事件是：有5颗透镜星，每颗星都可引起超过50起的预测事件（图3所示），将来通过对这些预测事件的观测，可以提高透镜星的质量测量精度，为恒星物理等研究提供观测数据。

四、未来展望与CSST的新机遇

近期，Gaia一旦发布恒星单次测量的数据，便可依据该预测方法，对 Gaia 任务期内的微引力透镜事件进行更为详细的预测，为精确测定单颗恒星的质量奠定基础。这项工作也可为哈勃望远镜、詹姆斯·韦布望远镜等空间设备进行微引力透镜事件的跟踪观测提供预测。另外，我国自行研发的大型巡天空间望远镜（CSST）即将发射，CSST 成像分辨率高、像质好、天区覆盖面积大、波长覆盖范围广、波段多，近紫外波段极具特色，兼具多色成像与无缝光谱观测，拥有极强的发现暗弱天体、新天体、新现象的能力。CSST 有两方面的天体测量观测优势：（1）对于星等大于18 等的暗弱恒星，CSST 观测恒星的自行和视差精度优于Gaia；（2）对于暗于Gaia 的极限星等（21 等）的恒星，CSST 提供唯一的天体测量数据。因此，CSST将观测到大量密集天区，该预测方法可用于微引力透镜事件的预测研究，将大幅提高天体测量型微引力透镜探测的成功率，促进相关天体物理问题的研究。

图3：透镜星61 CYG A（红色方框）和它能引起70个预测事件的背景星（绿色圆）。

参考文献：

1. Su, J., et al., Predicting astrometric microlensing events from Gaia Data Release 3. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2024. 527(1): p. 1177-1193.

2.https://www.universetoday.com/164088/gaia-is-so-accurate-it-can-predict-microlensing-events/.

3. Paczynski, B., Gravitational Microlensing at Large Optical Depth. The Astrophysical Journal, 1986. 301: p. 503.

4. Hog, E., I.D. Novikov, and A.G. Polnarev, MACHO photometry and astrometry. Astronomy and Astrophysics, 1995. 294: p. 287-294.

5. Udalski, A., The Optical Gravitational Lensing Experiment. Real Time Data Analysis Systems in the OGLE-III Survey. Acta Astronomica, 2003. 53: p. 291-305.

6.Bond, I.A., et al., Real-time difference imaging analysis of MOA Galactic bulge observations during 2000. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2001. 327: p. 868.

7. Paczynski, B., Gravitational Microlensing in the Local Group. Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 1996. 34: p. 419.

8. Miyamoto, M. and Y. Yoshii, Astrometry for Determining the MACHO Mass and Trajectory. The Astronomical Journal, 1995. 110: p. 1427.

9. Walker, M.A., Microlensed Image Motions. The Astrophysical Journal, 1995. 453: p. 37.

10. Sahu, K.C., et al., Relativistic deflection of background starlight measures the mass of a nearby white dwarf star. Science, 2017. 356(6342): p. 1046-1050.

11. Zurlo, A., et al., The gravitational mass of Proxima Centauri measured with SPHERE from a microlensing event. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2018. 480(1): p. 236-244.

12. McGill, P., et al., First semi-empirical test of the white dwarf mass-radius relationship using a single white dwarf via astrometric microlensing. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2023. 520: p. 259-280.

13. Belokurov, V.A. and N.W. Evans, Astrometric microlensing with the GAIA satellite. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2002. 331(3): p. 649-665.