揭秘宇宙奧秘：預測微引力透鏡事件的研究進展

作者：蘇婕、王建成

引言：

2023 年 11 月 7 日，國際頂級天文學術期刊《皇家天文學會月報》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，MNRAS）在線發表了云南天文臺天體測量及應用研究組蘇婕、王建成等人關于天體測量型微引力透鏡事件預測研究的最新成果[1]，該成果還被北美的天文時事網站“Universe Today”報道[2]。

一、關于引力透鏡：探索宇宙的神秘之眼

引力透鏡是研究銀河系和系外天體的一種非常強大的工具，它可以探索銀河系的質量分布，搜尋銀河系內的暗物質，確定宇宙膨脹的速率，測定哈勃常數，發現遙遠的星體和系外行星。引力透鏡現象是背景源天體發出的光線在經過一個前景天體（透鏡天體）時發生偏轉而產生的物理現象，當透鏡天體為恒星時，引力偏轉效應非常微弱，被稱為微引力透鏡效應。

微引力透鏡事件的觀測研究可以從兩種現象著手：（1）由于光線被透鏡星匯聚，導致觀測到背景星的亮度增強，能探測到這個現象的微引力透鏡被稱為測光型微引力透鏡[3, 4]（圖1所示）。目前，絕大部分的測光型微引力透鏡事件都能被監測和研究, 例如波蘭華沙大學的引力透鏡實驗[5]（Optical Gravitational Lensing Experiment，簡稱OGLE）、新西蘭和日本合作的天體物理微引力透鏡觀測項目[6]（Microlensing Observations in Astrophysics, 簡稱 MOA）等；（2）由于透鏡星的引力作用，使得觀測到背景星的位置發生變化，能探測到這種位置變化的微引力透鏡被稱為天體測量型微引力透鏡[7-9]。

圖1：透鏡星引起背景星的亮度變化

天體測量型微引力透鏡是目前唯一可以直接測量單顆恒星質量的工具，已經被證明其質量測量的不確定度在10%以內，有望達到1%。此外，天體測量型微引力透鏡不需要測量透鏡星的光度，因此可以探測更暗弱的致密天體，例如孤立的中子星、黑洞等。

二、微引力透鏡事件的觀測與挑戰

雖然天體測量型微引力透鏡的研究具有非常重要的科學意義，并且是我們探索宇宙重要而有用的工具,但是天體測量型微引力透鏡事件的探測卻極其困難，愛因斯坦甚至認為這是一個不可能被觀測到的現象，因為背景星像的位置分離量非常小，大部分事件都只有微角秒（太陽視直徑的十億分之一），只有少量事件能達到幾個毫角秒（太陽視直徑的百萬分之一），這對儀器設備、圖像處理的精度要求非常高。幸運的是，隨著人類科學技術的進步，空間望遠鏡的精度越來越高，終于在2017年Sahu等[10]利用哈勃望遠鏡（Hubble Space Telescope, 簡稱 HST）首次觀測到了天體測量型微引力透鏡現象（圖2所示），透鏡星為白矮星Stein2051b，計算其質量為(0.675 ± 0.051)??⊙，精度達8%。

圖 2：天體測量型微引力透鏡事件的哈勃望遠鏡圖像（Sahu等[10]）

注: 這是首次探測到天體測量型微引力透鏡事件。哈勃望遠鏡的圖像顯示了距離地球較近的白矮星 Stein 2051B 從一顆遙遠的背景星前通過，產生微引力透鏡事件。

目前，天體測量型微引力透鏡事件仍是極難被探測到的，只有少數幾次觀測[11, 12]，除了儀器精度的限制外，還有一個主要的原因是：Gaia 衛星數據問世之前的天體測量數據不夠精確，導致天體測量型微引力透鏡事件的預測有較多的不確定因素。由于微引力透鏡事件發生的概率非常?。ù蠹s 2.5 × 10-5[13]），僅發生于三星（背景星、透鏡星和地球）非常接近共線的事件，能否提前精確預測發生的時間和位置是成功探測天體測量型微引力透鏡事件的決定因素。因此，對天體測量型微引力透鏡事件進行預測研究，具有非常重要的科學意義。

三、云南天文臺研究成果

從海量的 Gaia DR3 數據中，精準預測天體測量型微引力透鏡事件發生的時間和位置，對空間和地面大望遠鏡成功觀測這一事件至關重要。該團組研究人員利用Gaia DR3數據，挑選具有高自行、近距離和大質量的恒星，它們是更易產生微引力透鏡事件的潛在透鏡星，總數大約820000顆，從而建立了更純正、更完備的透鏡星樣本庫。研究人員發展了二次配對算法尋找可能的背景星，獲得27057個初步配對的星對，并通過計算星對在2010年-2070年時間范圍內的少量相對位置數據點，找出星對最接近時刻和位置，進一步排除雙星、共同運動星對和偽星，最終從海量的Gaia DR3數據中找到4500個天體測量型微引力透鏡預測事件，這些事件由 3558顆透鏡星引起，其中有1664個事件為新的預測事件，有293顆透鏡星可以引起兩個或兩個以上的預測事件，特別有趣的事件是：有5顆透鏡星，每顆星都可引起超過50起的預測事件（圖3所示），將來通過對這些預測事件的觀測，可以提高透鏡星的質量測量精度，為恒星物理等研究提供觀測數據。

四、未來展望與CSST的新機遇

近期，Gaia一旦發布恒星單次測量的數據，便可依據該預測方法，對 Gaia 任務期內的微引力透鏡事件進行更為詳細的預測，為精確測定單顆恒星的質量奠定基礎。這項工作也可為哈勃望遠鏡、詹姆斯·韋布望遠鏡等空間設備進行微引力透鏡事件的跟蹤觀測提供預測。另外，我國自行研發的大型巡天空間望遠鏡（CSST）即將發射，CSST 成像分辨率高、像質好、天區覆蓋面積大、波長覆蓋范圍廣、波段多，近紫外波段極具特色，兼具多色成像與無縫光譜觀測，擁有極強的發現暗弱天體、新天體、新現象的能力。CSST 有兩方面的天體測量觀測優勢：（1）對于星等大于18 等的暗弱恒星，CSST 觀測恒星的自行和視差精度優于Gaia；（2）對于暗于Gaia 的極限星等（21 等）的恒星，CSST 提供唯一的天體測量數據。因此，CSST將觀測到大量密集天區，該預測方法可用于微引力透鏡事件的預測研究，將大幅提高天體測量型微引力透鏡探測的成功率，促進相關天體物理問題的研究。

圖3：透鏡星61 CYG A（紅色方框）和它能引起70個預測事件的背景星（綠色圓）。

參考文獻：

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.

來源: 中國科學院云南天文臺