[论文解读] Measuring the mass function of isolated stellar remnants with gravitational microlensing. II. Analysis of the OGLE-III data

P. Mróz, A. Udalski+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用 7

一句话总结

本研究利用 OGLE-III 数据中的引力微引力透镜效应，通过结合 OGLE 和 Gaia EDR3 的光变曲线与自行数据，测量了孤立恒星残骸（白矮星、中子星和黑洞）的质量函数。结果在 1–100 M⊙ 范围内得到连续的质量函数，幂律斜率为 0.83⁺⁰.¹⁶₋₀.¹⁸，为中子星与黑洞之间不存在质量间隙提供了初步证据。

ABSTRACT

Our knowledge of the birth mass function of neutron stars and black holes is based on observations of binary systems but the binary evolution likely affects the final mass of the compact object. Gravitational microlensing allows us to detect and measure masses of isolated stellar remnants, which are nearly impossible to obtain with other techniques. Here, we analyze a sample of 4360 gravitational microlensing events detected during the third phase of the OGLE survey. We select a subsample of 87 long-timescale low-blending events. We estimate the masses of lensing objects by combining photometric data from OGLE and proper-motion information from OGLE and Gaia EDR3. We find 35 high-probability dark lenses - white dwarfs, neutron stars, and black holes - which we use to constrain the mass function of isolated stellar remnants. In the range 1-100 M_Sun, occupied by neutron stars and black holes, the remnant mass function is continuous and can be approximated as a power-law with a slope of $0.83^{+0.16}_{-0.18}$ with a tentative evidence against a broad gap between neutron stars and black holes. This slope is slightly flatter than the slope of the mass function of black holes detected by gravitational wave detectors LIGO and Virgo, although both values are consistent with each other within the quoted error bars. The measured slope of the remnant mass function agrees with predictions of some population synthesis models of black hole formation.

研究动机与目标

• 利用引力微引力透镜效应测量孤立恒星残骸（中子星和黑洞）的质量函数，避免双星系统演化带来的偏差。
• 克服传统天体物理方法无法直接测量孤立致密天体质量的局限性。
• 利用长时间、低混合度的微引力透镜事件样本，检验中子星与黑洞之间是否存在“质量间隙”。
• 通过结合 OGLE 和 Gaia EDR3 的测光光变曲线与自行测量数据，改进质量估计。
• 评估该方法在测量不确定度下检测狭窄特征（如质量间隙）的能力。

提出的方法

• 分析 OGLE-III 巡天中的 4360 个微引力透镜事件，从中选取 87 个长时间、低混合度事件进行详细研究。
• 使用微引力透镜方程 $ M = \frac{t_{\rm E} \mu}{\kappa \pi_{\rm E}} $ 估算透镜质量，其中 $ \kappa = 8.144\,\mathrm{mas\,yr}^{-1} $，依赖于 $ t_{\rm E} $、$ \pi_{\rm E} $ 和 $ \mu $。
• 结合 Gaia EDR3 和 OGLE 数据中的自行 $ \mu $，通过假设银河系模型来约束透镜质量的最可能 $ \mu $ 分布。
• 应用分层贝叶斯建模，从 35 个高概率暗透镜样本中推断质量函数。
• 通过在 1–2 M⊙ 和 6–30 M⊙ 范围内使用对数均匀质量函数的模拟，测试在不同测量不确定度下检测质量间隙的敏感性。
• 评估来自双星透镜和高速残骸的污染风险，并据此调整透镜质量概率估计。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 1–100 M⊙ 范围内，孤立恒星残骸的质量函数形状如何，受微引力透镜约束？
• RQ2 在残骸质量函数中，是否存在中子星与黑洞之间的“质量间隙”证据？
• RQ3 测量不确定度如何影响检测残骸质量函数中狭窄特征（如质量间隙）的能力？
• RQ4 新生冲量或双星透镜效应对推断透镜天体的质量和距离有多大影响？
• RQ5 在现实观测不确定度下，分层贝叶斯方法在多大程度上能恢复真实的质量函数？

主要发现

• 在 1–100 M⊙ 范围内，孤立恒星残骸的质量函数与幂律分布一致，斜率为 $ 0.83^{+0.16}_{-0.18} $。
• 存在初步证据表明中子星与黑洞之间不存在宽广的质量间隙，暗示残骸质量的过渡可能更连续。
• 测得的斜率略小于从 LIGO–Virgo 引力波探测中推断的斜率，但两者在误差范围内一致。
• 模拟结果证实，若存在质量间隙，该方法能够检测到，但随着测量不确定度增加，可信区间会变宽。
• 35 个高概率暗透镜样本提供了首次通过微引力透镜方法对孤立残骸质量函数的直接约束。
• 未来对 OGLE-IV 数据的分析（事件数量为四倍）有望显著改善对质量函数的约束，尤其是在质量间隙区域。