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科维理所东苏勃团队首次实现分辨微引力透镜双像

一个多世纪前,爱因斯坦基于广义相对论预言了微引力透镜现象,即背景恒星的光在经过观测者视线方向的一个天体时会受到其引力作用发生偏折而成为两个像。近年来,北京大学科维理天文与天体物理研究所东苏勃研究员领导国际团队在天体微引力透镜研究中取得突破。他们使用位于智利的欧洲南方天文台的甚大望远镜光干涉阵(VLTI)的GRAVITY仪器,第一次成功地分辨了微引力透镜双像,并精确测量了爱因斯坦角半径这个关键参数。该研究成果为利用微引力透镜法测量天体质量开辟了一个新途径,可用于未来搜寻银河系中孤立的恒星级黑洞。

这项成果以“”为题,于2019年发表在国际著名天文专业期刊The Astrophysical Journal(《天体物理杂志》)。东苏勃为第一及通讯作者,团队还包括来自欧洲及美国、新西兰的合作者。欧洲南方天文台为这项成果制作了视频节目,在ESOCast第192期“”播出。东苏勃等还受欧洲南方天文台邀请,在2019年12月出版的Messenger(《信使》)杂志上撰文介绍了该成果( ) 。

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“微引力透镜示意图”(欧洲南方天文台制作)

1936年,在业余科学家曼德尔(Rudi Mandl)的再三敦促下,爱因斯坦不太情愿地在Science(《科学》)杂志上发表了微引力透镜理论。其实,爱因斯坦的笔记表明其早在1912年就完成了相关的计算。他发现,根据广义相对论,在观测者的视线方向上,如果一个前景的天体(透镜)与一颗背景的恒星(源)的角距离很近,源的光线经过透镜附近时会发生偏折进而成像。若观测者、透镜和源处于完美的三点一线上,会呈现环状像,称爱因斯坦环;更普遍的情况是,光线会被偏折为位于爱因斯坦环附近的两个弧状像。对于银河系中的微引力透镜现象,爱因斯坦环的角半径只有毫角秒的量级(一个毫角秒等于三百六十万分之一度)。

任你博爱因斯坦之所以不情愿发表论文,是因为他对实际观测到微引力透镜现象的前景非常不看好。他断言,“没有希望能直接观测到这个现象”,并给出了两个主要理由:首先,产生微引力透镜现象的条件是,前景和背景的两颗恒星需要对齐在极小的角度里(就是在爱因斯坦环内),而对于银河系中某颗恒星,该几率不超过百万分之一;另外,他预期不会有任何仪器可以直接分辨相距毫角秒的双像,所以能观测到的效应仅是作为背景源的恒星增亮。

从1993年起,凭借大视场望远镜和CCD相机,时域巡天项目的发现远超出爱因斯坦的悲观预期:通过对银河系中心核球区域数以亿计的恒星的亮度变化进行反复不断的监测,天文学家已经发现数万个微引力透镜事件。在微引力透镜事件中,当透镜天体以每年数个毫角秒的相对运动速度经过背景恒星的视位置时,恒星的光度在数周时间内产生变化。通过研究微引力透镜事件,人们已经有了诸多天体物理发现,包括发现近100颗太阳系外行星。

任你博然而,20多年间,就像爱因斯坦预期的那样,人们一直没能实现直接分辨微引力透镜的像。直到2017年11月,东苏勃团队才使用有长达百米基线的VLTI光干涉阵观测微引力透镜事件TCP J0507+2447,首次成功分辨了双像。通过测量双像的角间距,研究团队还以2%的高精度测量了爱因斯坦环的角半径(1.87±0.03毫角秒)。从光干涉阵分辨双像的观测中得到的信息可用于打破微引力透镜事件分析中的参数简并,直接测量透镜质量,从而释放出微引力透镜方法的一项独特潜力——发现银河系中的孤立恒星级黑洞。

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左:微引力透镜事件TCP J0524+2447的光变曲线,描述其亮度随时间(以天为单位)的变化;右:微引力透镜的模型(以毫角秒为单位)。两个红点表示两个像的视位置,点的大小示意像的亮度,红色“x”符号标示未经透镜效应放大前的源的视位置,蓝点代表透镜位置,蓝色虚线表示爱因斯坦环

任你博2015年以来,LIGO引力波天文台发现了多个双黑洞合并事件,这些令人震惊的发现引出了一个重要问题:这些数十个太阳质量的黑洞是如何形成的?无论是大质量恒星演化的终点还是发源于宇宙早期的奇特物理过程,理论都预言大量的孤立(单)黑洞必然存在。而单、双黑洞族群的相对比例可为黑洞形成机制提供重大线索。然而,受到现有观测方法的限制(引力波、X射线双星及视向速度),现在所有已知恒星级黑洞都发现于双星之中。

任你博微引力透镜是唯一已知的可发现孤立恒星级黑洞的方法,有望探索这片未知的“新大陆”。根据理论估算,在已探测到的微引力透镜事件中,已有约数百个是由黑洞引发的。但是,时至今日,人们仅发现了几个微引力透镜黑洞的候选体,但由于光变曲线的分析中存在的透镜质量-距离的参数简并,无法明确区分黑洞与低质量恒星。而通过光干涉阵分辨双象测量到的爱因斯坦环角半径可以打破该简并的关键参数,并直接测量透镜天体质量,从而确定性地认证黑洞。

任你博2001年,Delplancke等人提出了利用VLTI光干涉阵分辨微引力透镜双像的可能性,然而该方法极具挑战性,十几年来,人们进行了多次尝试,均已失败告终。主要的困难是光干涉观测需要足够明亮的观测目标。东苏勃团队对J0507+2447的成功观测汇聚了多个有利因素。2017年10月底,日本业余天文学家T. Kojima偶然在反银心方向发现了一颗恒星增亮,全天全自动超新星巡天网络(东苏勃为核心成员)的监测数据表明,这是一个微引力透镜事件。TCP J0507+2447源的距离仅是绝大多数在银心方向发现的微引力透镜事件的十分之一,达到了VLTI观测所需的亮度。团队立即向欧洲南方天文台申请台长机动时间,并成功在发现后不到一星期内获得了宝贵的、世界上最先进的光干涉仪器VLTI GRAVITY的观测时间。观测时,目标的亮度接近VLTI GRAVITY的极限能力,而绝佳的大气条件使得团队把握住了这个稍纵即逝的机遇。

目前,在北京大学的经费支持下,东苏勃课题组正在中国科学院新疆天文台南山观测站建设全天全自动超新星巡天网络的新节点“天山”,建成后将提高该望远镜网络在明亮微引力透镜事件上的发现和观测能力。东苏勃团队正在利用VLTI/GRAVITY光干涉阵对更多的微引力透镜事件进行系统观测,以期搜寻银河系中的孤立恒星级黑洞。

任你博以上研究工作获得国家自然科学基金和北京大学的经费支持。

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