[논문 리뷰] Measuring the mass function of isolated stellar remnants with gravitational microlensing. I. Revisiting the OGLE-III dark lens candidates

P. Mróz, Ł. Wyrzykowski|CaltechAUTHORS (California Institute of Technology)|2021. 07. 29.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 3인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 이전에 어둠의 별 잔여물로 간주된 OGLE-III 미세렌즈 사건들을 재검토하며, 업데이트된 Gaia EDR3 운동량과 수정된 질량 추정 방법을 사용한다. 기존의 질량 추정치—특히 '질량 갭' 및 블랙홀 후보자에 대한 것—는 잘못된 거리 우선분포와 편향된 운동량 표본 추출으로 인해 현저하게 과대평가되었으며, 이는 이 물체들이 더 가능성 있게 백색왜성, 중성자별 또는 주계열 별일 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

Gravitational microlensing may detect dark stellar remnants - black holes or neutron stars - even if they are isolated. However, it is challenging to estimate masses of isolated dark stellar remnants using solely photometric data for microlensing events. A recent analysis of OGLE-III long-timescale microlensing events exhibiting the annual parallax effects claimed that a number of bright events were due to "mass-gap" objects (with masses intermediate between those of neutron stars and black holes). Here, we present a detailed description of the updated and corrected method that can be used to estimate masses of dark stellar remnants detected in microlensing events given the light curve data and the proper motion of the source. We use this updated method, in combination with new proper motions from Gaia EDR3, to revise masses of dark remnant candidates previously found in the OGLE-III data. We demonstrate that masses of "mass-gap" and black hole events identified in the previous work are overestimated and, hence, these objects are most likely main-sequence stars, white dwarfs, or neutron stars.

연구 동기 및 목표

• OGLE-III 미세렌즈 사건에서 이전에 식별된 고립된 별 잔여물 후보의 질량을 재평가하는 것.
• 오래된 소스 거리 우선분포와 렌즈-소스 운동량의 잘못된 표본 추출으로 인해 발생하는 이전 질량 추정치의 체계적 편향을 수정하는 것.
• '질량 갭' 및 블랙홀 후보자들이 더 가능성 있게 백색왜성, 중성자별 또는 주계열 별인지 평가하는 것.
• 광학적 미세렌즈 데이터와 Gaia 천체측량을 활용해 고립된 어둠의 별 잔여물의 질량 추정 정확도를 향상시키는 것.
• 독립적인 운동량 측정치와 업데이트된 은하 운동 모델을 비교하여 렌즈 질량 추론의 신뢰성을 검증하는 것.

제안 방법

• 식 (2)를 사용해 렌즈 질량의 사후분포를 재구성한다: $ M = \frac{t_{\rm E} \mu}{\kappa \pi_{\rm E}} $, 여기서 $ t_{\rm E} $, $ \pi_{\rm E} $, $ \mu $ 는 광선곡선 및 운동량 데이터로부터 유도된다.
• Bailer-Jones 등 (2018)의 오래된 거리 추정치를 대체하기 위해 소스 항성에 대해 Gaia EDR3 운동량을 적용하며, 이는 은하 중심부 소스의 거리를 과소평가했던 것이다.
• 출생 힘의 속도를 고려하고 고속 해법으로의 편향을 피하는, 수정된 은하 우선분포를 렌즈-소스 운동량에 적용한다.
• 렌즈 거리와 속도 분포에 물리적 의미를 가진 우선분포를 사용한 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 표본 추출을 수행하며, $ \mu $ 를 균일하게 표본 추출하는 것과 같은 방식이 질량 추정치를 과대평가하므로 이를 피한다.
• 베이지안 프레임워크 내에서 디스크 및 볼지 렌즈 위치를 모두 고려하며, 렌즈가 반드시 은하 디스크에 있어야 한다는 우선분포를 수정한다.
• 특정 사건들—예를 들어 OGLE3-ULENS-PAR-13—에 대해 OGLE에서 제공한 독립적인 운동량 측정치를 사용해 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 OGLE-III 미세렌즈 사건에서 이전에 보고된 '질량 갭' 및 블랙홀 후보자들은 실제로 더 가능성 있게 백색왜성 또는 중성자별일까?
• RQ2 Bailer-Jones 등 (2018)의 잘못된 소스 거리 우선분포가 미세렌즈 사건의 질량 추정치에 얼마나 큰 편향을 초래하는가?
• RQ3 렌즈-소스 운동량의 잘못된 표본 추출 방식이 단일 렌즈 미세렌즈 사건에서 추론된 렌즈 질량 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 출생 힘의 속도가 렌즈-소스 운동량과 질량의 사후분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 추가적인 천체측량 또는 간섭계 데이터 없이도 Gaia EDR3 운동량이 장기적 시간스케일의 미세렌즈 사건에서 렌즈 질량을 신뢰성 있게 제약할 수 있는가?

주요 결과

• 질량 갭 및 블랙홀 후보자의 추정 질량은 이전에 보고된 것보다 약 2–12배 작으며, 대부분은 백색왜성 또는 중성자별과 일치한다.
• 다시 분석한 여덟 개의 사건에 대해 중앙값 소스 거리가 이전에 4.0 kpc로 과소평가되었으나(Gaia EDR3 데이터에 따르면 약 8 kpc로 수정되어 은하 볼지와 일치한다.
• 렌즈가 은하 디스크에 있다고 가정하는 우선분포가 질량을 과대평가했으며, 볼지 렌즈 가능성까지 포함하면 추정 질량이 크게 감소한다.
• 균일 분포로 렌즈-소스 운동량을 표본 추출하는 방식은 $ \mu $ 를 과대평가하여 질량 추정치를 부풀리는 편향을 유발한다. 이 표본 추출 방식을 수정하면 질량 추정치가 크게 감소한다.
• OGLE3-ULENS-PAR-13의 경우, OGLE에서 제공한 운동량을 사용해 원래의 질량 추정치 $ 5.9^{+2.1}_{-1.7} M_\odot $ 가 $ 2.9^{+2.0}_{-1.8} M_\odot $ 로 수정되었으며, 블랙홀일 가능성은 감소한다.
• 모든 수정된 질량 추정치는 통계적으로 유도되었으며, 가정된 은하 모델에 의존한다. 어떤 사건도 블랙홀로 확정되지 않았지만, 모두 더 낮은 질량의 별 잔여물 또는 주계열 별과 일치한다.