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科維理所東蘇勃團隊首次實現分辨微引力透鏡雙像

2020-01-01

一個多世紀前,愛因斯坦基于廣義相對論預言了微引力透鏡現象,即背景恒星的光在經過觀測者視線方向的一個天體時會受到其引力作用發生偏折而成為兩個像。近年來,北京大學科維理天文與天體物理研究所東蘇勃研究員領導國際團隊在天體微引力透鏡研究中取得突破。他們使用位于智利的歐洲南方天文臺的甚大望遠鏡光干涉陣(VLTI)的GRAVITY儀器,第一次成功地分辨了微引力透鏡雙像,并精確測量了愛因斯坦角半徑這個關鍵參數。該研究成果為利用微引力透鏡法測量天體質量開辟了一個新途徑,可用于未來搜尋銀河系中孤立的恒星級黑洞。

這項成果以“First Resolution of Microlensed Images”為題,于2019年發表在國際著名天文專業期刊The Astrophysical Journal(《天體物理雜志》)。東蘇勃為第一及通訊作者,團隊還包括來自歐洲及美國、新西蘭的合作者。歐洲南方天文臺為這項成果制作了視頻節目,在ESOCast第192期“ESOcast 192 Light: GRAVITY Resolves a Gravitationally Microlensed Star”播出。東蘇勃等還受歐洲南方天文臺邀請,在2019年12月出版的Messenger(《信使》)雜志上撰文介紹了該成果( https://www.eso.org/sci/publications/messenger/ ) 。
 
“微引力透鏡示意圖”(歐洲南方天文臺制作)
1936年,在業余科學家曼德爾(Rudi Mandl)的再三敦促下,愛因斯坦不太情愿地在Science(《科學》)雜志上發表了微引力透鏡理論。其實,愛因斯坦的筆記表明其早在1912年就完成了相關的計算。他發現,根據廣義相對論,在觀測者的視線方向上,如果一個前景的天體(透鏡)與一顆背景的恒星(源)的角距離很近,源的光線經過透鏡附近時會發生偏折進而成像。若觀測者、透鏡和源處于完美的三點一線上,會呈現環狀像,稱愛因斯坦環;更普遍的情況是,光線會被偏折為位于愛因斯坦環附近的兩個弧狀像。對于銀河系中的微引力透鏡現象,愛因斯坦環的角半徑只有毫角秒的量級(一個毫角秒等于三百六十萬分之一度)。 愛因斯坦之所以不情愿發表論文,是因位他對實際觀測到微引力透鏡現象的前景非常不看好。他斷言,“沒有希望能直接觀測到這個現象”,并給出了兩個主要理由:首先,產生微引力透鏡現象的條件是,前景和背景的兩顆恒星需要對齊在極小的角度里(就是在愛因斯坦環內),而對于銀河系中某顆恒星,該幾率不超過百萬分之一;另外,他預期不會有任何儀器可以直接分辨相距毫角秒的雙像,所以能觀測到的效應僅是作為背景源的恒星增亮。 從1993年起,憑借大視場望遠鏡和CCD相機,時域巡天項目的發現遠超出愛因斯坦的悲觀預期:通過對銀河系中心核球區域數以億計的恒星的亮度變化進行反復不斷的監測,天文學家已經發現數萬個微引力透鏡事件。在微引力透鏡事件中,當透鏡天體以每年數個毫角秒的相對運動速度經過背景恒星的視位置時,恒星的光度在數周時間內產生變化。通過研究微引力透鏡事件,人們已經有了諸多天體物理發現,包括發現近100顆太陽系外行星。 然而,20多年間,就像愛因斯坦預期的那樣,人們一直沒能實現直接分辨微引力透鏡的像。直到2017年11月,東蘇勃團隊才使用有長達百米基線的VLTI光干涉陣觀測微引力透鏡事件TCP J0507+2447,首次成功分辨了雙像。通過測量雙像的角間距,研究團隊還以2%的高精度測量了愛因斯坦環的角半徑(1.87±0.03毫角秒)。從光干涉陣分辨雙像的觀測中得到的信息可用于打破微引力透鏡事件分析中的參數簡并,直接測量透鏡質量,從而釋放出微引力透鏡方法的一項獨特潛力——發現銀河系中的孤立恒星級黑洞。 左:微引力透鏡事件TCP J0524+2447的光變曲線,描述其亮度隨時間(以天為單位)的變化;右:微引力透鏡的模型(以毫角秒為單位)。兩個紅點表示兩個像的視位置,點的大小示意像的亮度,紅色“x”符號標示未經透鏡效應放大前的源的視位置,藍點代表透鏡位置,藍色虛線表示愛因斯坦環 2015年以來,LIGO引力波天文臺發現了多個雙黑洞合并事件,這些令人震驚的發現引出了一個重要問題:這些數十個太陽質量的黑洞是如何形成的?無論是大質量恒星演化的終點還是發源于宇宙早期的奇特物理過程,理論都預言大量的孤立(單)黑洞必然存在。而單、雙黑洞族群的相對比例可為黑洞形成機制提供重大線索。然而,受到現有觀測方法的限制(引力波、X射線雙星及視向速度),現在所有已知恒星級黑洞都發現于雙星之中。 微引力透鏡是唯一已知的可發現孤立恒星級黑洞的方法,有望探索這片未知的“新大陸”。根據理論估算,在已探測到的微引力透鏡事件中,已有約數百個是由黑洞引發的。但是,時至今日,人們僅發現了幾個微引力透鏡黑洞的候選體,但由于光變曲線的分析中存在的透鏡質量-距離的參數簡并,無法明確區分黑洞與低質量恒星。而通過光干涉陣分辨雙象測量到的愛因斯坦環角半徑可以打破該簡并的關鍵參數,并直接測量透鏡天體質量,從而確定性地認證黑洞。 2001年,Delplancke等人提出了利用VLTI光干涉陣分辨微引力透鏡雙像的可能性,然而該方法極具挑戰性,十幾年來,人們進行了多次嘗試,均已失敗告終。主要的困難是光干涉觀測需要足夠明亮的觀測目標。東蘇勃團隊對J0507+2447的成功觀測匯聚了多個有利因素。2017年10月底,日本業余天文學家T. Kojima偶然在反銀心方向發現了一顆恒星增亮,全天全自動超新星巡天網絡(東蘇勃為核心成員)的監測數據表明,這是一個微引力透鏡事件。TCP J0507+2447源的距離僅是絕大多數在銀心方向發現的微引力透鏡事件的十分之一,達到了VLTI觀測所需的亮度。團隊立即向歐洲南方天文臺申請臺長機動時間,并成功在發現后不到一星期內獲得了寶貴的、世界上最先進的光干涉儀器VLTI GRAVITY的觀測時間。觀測時,目標的亮度接近VLTI GRAVITY的極限能力,而絕佳的大氣條件使得團隊把握住了這個稍縱即逝的機遇。 目前,在北京大學的經費支持下,東蘇勃課題組正在中國科學院新疆天文臺南山觀測站建設全天全自動超新星巡天網絡的新節點“天山”,建成后將提高該望遠鏡網絡在明亮微引力透鏡事件上的發現和觀測能力。東蘇勃團隊正在利用VLTI/GRAVITY光干涉陣對更多的微引力透鏡事件進行系統觀測,以期搜尋銀河系中的孤立恒星級黑洞。 以上研究工作獲得國家自然科學基金和北京大學的經費支持。

來源:北京大學 新聞網

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