【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】北京大學(xué)物理學(xué)院天文學(xué)系東蘇勃教授領(lǐng)銜的科研團隊首次成功分辨了雙透鏡系統(tǒng)所成的微引力透鏡多重像。研究團隊利用位于智利的歐洲南方天文臺(ESO)的甚大望遠鏡光干涉陣(VLTI)的GRAVITY儀器，觀測了ASASSN-22av微引力透鏡事件，分辨了多重像及環(huán)狀像，以高精度測量了透鏡系統(tǒng)中的紅矮星雙星的質(zhì)量。這是東蘇勃團隊繼2019年發(fā)表首次成功分辨微引力透鏡雙像的成果后，再次推動該領(lǐng)域的發(fā)展，為探測寬距雙星中的黑洞等致密天體打開了一扇新窗口。
 

　　該成果以“First Resolution of Microlensed Images of a Binary-Lens Event”為題，于2024年12月17日發(fā)表在國際天文專業(yè)期刊《天體物理雜志》(The Astrophysical Journal)上。論文第一作者為北京大學(xué)天文學(xué)系博士生吳澤炫，通訊作者為東蘇勃教授，科維理研究所助理教授上官晉沂為論文的主要作者之一，合作者還包括ESO、德國馬克斯·普朗克地外物理研究所(MPE)以及美國、波蘭、新西蘭、瑞典、澳大利亞等多國研究機構(gòu)的研究人員。
 

　　微引力透鏡現(xiàn)象是愛因斯坦廣義相對論的重要預(yù)言之一。當(dāng)一顆背景恒星與前景天體在視線方向上幾乎重合時，前景天體(“透鏡”)的引力場會使來自背景恒星的光線產(chǎn)生偏折，從而形成多重像甚至環(huán)狀像(即“愛因斯坦環(huán)” )。然而，銀河系內(nèi)典型的微引力透鏡事件的愛因斯坦環(huán)角半徑大小僅為毫角秒量級(一毫角秒等于360萬分之一度)，遠小于最大單口徑光學(xué)望遠鏡的分辨極限，因而直接分辨微引力透鏡的多重像極為困難。通常可觀測的效應(yīng)是，背景恒星在透鏡天體的引力聚焦下變亮。當(dāng)前人們通過大視場巡天實時監(jiān)測海量恒星的亮度變化，來發(fā)現(xiàn)微引力透鏡事件。這種亮度的變化源于透鏡天體的引力作用、不取決于透鏡本身的亮度，所以微引力透鏡可用來探測暗弱的、甚至完全不發(fā)光的天體，例如流浪行星、中子星和黑洞等。微引力透鏡是目前唯一能夠探測孤立恒星級黑洞的方法。
 

　　證認黑洞需要準確測量透鏡天體的質(zhì)量。但是，光變曲線(即亮度隨時間變化)的測量往往只能給出透鏡天體質(zhì)量與距離的函數(shù)關(guān)系，還需要關(guān)鍵的觀測量——愛因斯坦環(huán)角半徑來打破參數(shù)簡并，定出透鏡天體質(zhì)量。使用VLTI光干涉分辨微引力透鏡所成的像，可實現(xiàn)高精度直接測量愛因斯坦環(huán)角半徑， 從而測量透鏡質(zhì)量。2019年，東蘇勃團隊發(fā)表了首次成功分辨了微引力透鏡雙像的成果，其透鏡天體為一顆0.5倍太陽質(zhì)量的紅矮星。
 

圖一：2022年1月22日VLTI GRAVITY觀測時ASASSN-22av微引力透鏡事件所成的像（橙色區(qū)域）。兩個透鏡天體的視位置如青色點所示，與背景恒星（橙色圓圈所示）的視位置間距很小，所成的像接近一個完整的愛因斯坦環(huán)。羅盤示意正北和正東。
 

　　2022年1月19日，國際合作項目“全天自動化超新星巡天”(ASAS-SN)發(fā)現(xiàn)了微引力透鏡事件ASASSN-22av。ASAS-SN在全球部署了6個節(jié)點(共24臺望遠鏡)，對全天開展實時監(jiān)測，其中1個節(jié)點由北京大學(xué)提供經(jīng)費支持，位于中科院新疆天文臺南山觀測站。該事件是在ASAS-SN的南非節(jié)點拍攝的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)的。收到ASASSN-22av預(yù)警后，研究團隊迅速申請到ESO臺長機動時間，成功獲得了三晚的VLTI GRAVITY高質(zhì)量光干涉數(shù)據(jù)。通過對光變曲線的建模，團隊發(fā)現(xiàn)透鏡系統(tǒng)由兩個天體構(gòu)成。雙透鏡成的像要比單透鏡復(fù)雜，分析光干涉數(shù)據(jù)的難度也相應(yīng)的大得多：對于理想的點源，單透鏡成兩個像，而雙透鏡則成三個或五個像，且需要考慮背景恒星源的大小所造成的“延展源效應(yīng)”。團隊發(fā)展了針對雙透鏡光干涉數(shù)據(jù)的建模方法，開展了對光變曲線和光干涉數(shù)據(jù)的聯(lián)合分析，成功分辨了多重像，并實現(xiàn)以0.3%的精度測量了ASASSN-22av的愛因斯坦環(huán)角半徑，為0.724 ± 0.002毫角秒。同時，團隊還精確測量了透鏡天體的物理參數(shù)：雙星系統(tǒng)中的兩顆恒星質(zhì)量分別為太陽質(zhì)量的0.258 ± 0.008倍和0.130 ± 0.007倍，二者間距約為7個天文單位(天文單位為日地平均距離)，軌道周期約為28年。該方法未來可應(yīng)用于尋找寬距雙星中的黑洞，與引力波、X射線雙星等方法探測的間距更近的雙星系統(tǒng)形成互補。
 

　　東蘇勃團隊及合作者正在利用GRAVITY開展對恒星級黑洞的系統(tǒng)搜尋。GRAVITY是MPE主導(dǎo)研發(fā)的近紅外干涉儀。MPE聯(lián)合ESO等單位正在大幅升級 GRAVITY的性能，預(yù)期到2025年，其探測靈敏度將有數(shù)量級的提升，屆時有望批量發(fā)現(xiàn)恒星級黑洞。
 

　　這項研究工作得到了國家自然科學(xué)基金重點項目、新基石科學(xué)基金會科學(xué)探索獎和中國科學(xué)院國家天文臺有償使用國外望遠鏡計劃(TAP)等項目的支持。