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【导语】近日，云南天文台天体测量及应用研究组的苏婕、王建成等人在国际顶级天文学术期刊《皇家天文学会月报》上发表了关于天体测量型微引力透镜事件预测研究的最新成果。该研究通过精准分析Gaia DR3数据，成功预测了数千个天体测量型微引力透镜事件，为探索宇宙奥秘提供了重要工具。微引力透镜效应作为研究银河系和系外天体的强大手段，不仅能够揭示暗物质分布，还能精确测量单颗恒星质量。随着空间望远镜精度的提升，特别是我国即将发射的大型巡天空间望(wàng)远(yuǎn)镜(jìng)（CSST），对(duì)微(wēi)引(yǐn)力(lì)透(tòu)镜(jìng)事(shì)件(jiàn)的(de)观(guān)测(cè)与(yǔ)研(yán)究(jiū)将(jiāng)迎(yíng)来(lái)新(xīn)的(de)机(jī)遇(yù)，有(yǒu)望(wàng)推(tuī)动(dòng)天(tiān)体(tǐ)物(wù)理(lǐ)学(xué)的(de)进(jìn)一(yī)步(bù)发(fā)展(zhǎn)。

揭(jiē)秘(mì)宇(yǔ)宙(zhòu)奥(ào)秘(mì)：预(yù)测(cè)微(wēi)引(yǐn)力(lì)透(tòu)镜(jìng)事(shì)件(jiàn)的(de)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(jié)、王(wáng)建(jiàn)成(chéng)等(děng)人(rén)关于(yú)天(tiān)体(tǐ)测(cè)量(liàng)型(xíng)微(wēi)引(yǐn)力(lì)透(tòu)镜(jìng)事(shì)件(jiàn)预(yù)测(cè)研(yán)究(jiū)的(de)最(zuì)新(xīn)成(chéng)果(guǒ)[1]，该(gāi)成(chéng)果(guǒ)还(hái)被(bèi)北(běi)美(měi)的(de)天(tiān)文时(shí)事(shì)网(wǎng)站(zhàn)“Universe Today”报(bào)道(dào)[2]。

一(yī)、关于(yú)引(yǐn)力(lì)透(tòu)镜(jìng)：探(tàn)索(suǒ)宇(yǔ)宙(zhòu)的(de)神(shén)秘(mì)之(zhī)眼(yǎn)

引(yǐn)力(lì)透(tòu)镜(jìng)是(shì)研(yán)究(jiū)银(yín)河(hé)系(xì)和(hé)系(xì)外(wài)天(tiān)体(tǐ)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(gōng)具(jù)，已(yǐ)经(jīng)被(bèi)证(zhèng)明(míng)其(qí)质(zhì)量(liàng)测(cè)量(liàng)的(de)不(bù)确(què)定(dìng)度(dù)在(zài)10%以(yǐ)内(nèi)，有(yǒu)望(wàng)达(dá)到(dào)1%。此(cǐ)外(wài)，天(tiān)体(tǐ)测(cè)量(liàng)型(xíng)微(wēi)引(yǐn)力(lì)透(tòu)镜(jìng)不(bù)需(xū)要(yào)测(cè)量(liàng)透(tòu)镜(jìng)星(xīng)的(de)光(guāng)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(tú) 2：天(tiān)体(tǐ)测(cè)量(liàng)型(xíng)微(wēi)引(yǐn)力(lì)透(tòu)镜(jìng)事(shì)件(jiàn)的(de)哈(hā)勃(bó)望(wàng)远(yuǎn)镜(jìng)图(tú)像(xiàng)（Sahu等(děng)[10]）

注(zhù): 这(zhè)是(shì)首(shǒu)次(cì)探(tàn)测(cè)到(dào)天(tiān)体(tǐ)测(cè)量(liàng)型(xíng)微(wēi)引(yǐn)力(lì)透(tòu)镜(jìng)事(shì)件(jiàn)。哈(hā)勃(bó)望(wàng)远(yuǎn)镜(jìng)的(de)图(tú)像(xiàng)显(xiǎn)示(shì)了(le)距(jù)离(lí)地(de)球(qiú)较(jiào)近(jìn)的(de)白(bái)矮(ǎi)星(xīng) Stein 2051B 从(cóng)一(yī)颗(kē)遥(yáo)远(yuǎn)的(de)背(bèi)景(jǐng)星(xīng)前(qián)通(tōng)过(guò)，产(chǎn)生(shēng)微(wēi)引(yǐn)力(lì)透(tòu)镜(jìng)事(shì)件(jiàn)。

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(chú)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(jiān)和(hé)位(wèi)置(zhì)是(shì)成(chéng)功(gōng)探(tàn)测(cè)天(tiān)体(tǐ)测(cè)量(liàng)型(xíng)微(wēi)引(yǐn)力(lì)透(tòu)镜(jìng)事(shì)件(jiàn)的(de)决(jué)定(dìng)因(yīn)素(sù)。因(yīn)此(cǐ)，对(duì)天(tiān)体(tǐ)测(cè)量(liàng)型(xíng)微(wēi)引(yǐn)力(lì)透(tòu)镜(jìng)事(shì)件(jiàn)进(jìn)行(xíng)预(yù)测(cè)研(yán)究(jiū)，具(jù)有(yǒu)非(fēi)常(cháng)重(zhòng)要(yào)的(de)科(kē)学(xué)意(yì)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(liǎng)个(gè)以(yǐ)上(shàng)的(de)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(yǐn)力(lì)透(tòu)镜(jìng)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.