[论文解读] Astrometric Microlensing Constraints on a Massive Body in the Outer Solar System with the Global Astrometric Interferometer for Astrophysics (GAIA)

B. Scott Gaudi, J. S. Bloom|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2005

Planetary Science and Exploration被引用 1

一句话总结

本文提出利用天体测量微引力透镜——通过探测大质量天体引力透镜效应引起的背景恒星位置畸变——来利用盖亚空间望远镜的数据约束太阳系外围遥远大质量天体的存在。在2000 AU处，木星质量的天体在整个天空范围内均可实现超过5-sigma显著性的探测，且在黄道面附近灵敏度更高，为检验关于‘行星X’的假说提供了一种可验证的方法。

ABSTRACT

A body in Solar orbit beyond the Kuiper belt exhibits an annual parallax that exceeds its apparent proper motion by up to many orders of magnitude. Apparent motion of this body along the parallactic ellipse will deflect the angular position of background stars due to astrometric microlensing ("induced parallax"). By synoptically sampling the astrometric position of background stars over the entire sky, constraints on the existence (and basic properties) of a massive nearby body may be inferred. With a simple simulation, we estimate the signal-to-noise for detecting such a body -- as function of mass, heliocentric distance, and ecliptic latitude -- using the anticipated sensitivity and temporal cadences from the Global Astrometric Interferometer for Astrophysics (GAIA; launch 2011). A Jupiter-mass (M_Jup) object at 2000 AU is detectable by GAIA over the whole sky above 5-sigma, with even stronger constraints if it lies near the ecliptic plane. Hypotheses for the mass (~3M_Jup), distance (~20,000 AU) and location of the proposed perturber ("Planet X") which gives rise to long-period comets may be testable.

研究动机与目标

• 开发一种利用天体测量微引力透镜探测太阳系外围遥远大质量天体的方法。
• 评估盖亚空间天体测量任务预期性能下此类天体的可探测性。
• 基于其对长周期彗星的潜在引力影响，检验关于‘行星X’存在性与特性的假说。
• 量化盖亚对大质量天体的探测灵敏度，作为质量、日心距离和黄道纬度的函数。

提出的方法

• 建模大质量天体对背景恒星位置的引力透镜效应，导致产生一种视差形变模式。
• 模拟大质量天体在长时间内对背景恒星视位置引起的预期天体测量信号。
• 利用盖亚预期的天体测量精度和时间采样率，估算信号与噪声之比以实现探测。
• 考虑盖亚的全天、综合采样能力，评估不同黄道纬度下的探测灵敏度。
• 应用统计框架，确定诱导出的视差信号相对于测量噪声的显著性。
• 改变输入参数（质量、距离、黄道纬度），绘制可探测性的阈值图。

实验结果

研究问题

• RQ1 在盖亚数据中，柯伊伯带之外的大质量天体引起的天体测量微引力透镜效应能否产生可探测的信号？
• RQ2 基于盖亚预期性能，此类天体的最小可探测质量和距离是多少？
• RQ3 由于诱导视差几何结构的影响，探测灵敏度如何随黄道纬度变化？
• RQ4 盖亚能否检验如下假说：在约20,000 AU处存在一个质量约为3M_Jup的庞大扰动体，可解释观测到的长周期彗星聚集现象？
• RQ5 在全天空范围内，探测2000 AU处木星质量天体的信噪比是多少？

主要发现

• 在2000 AU处，木星质量的天体可被盖亚以超过5-sigma的信噪比在全球范围内探测到。
• 由于诱导视差信号的有利几何构型，位于黄道面附近的天体探测灵敏度显著增强。
• 该方法对太阳系外围大质量天体的存在提供了强有力的约束，尤其适用于质量≥3M_Jup、距离达约20,000 AU的天体。
• 模拟结果表明，盖亚的全球天体测量巡天能力使其能够通过天体测量微引力透镜系统性地搜寻此类扰动体。
• 可探测性阈值在全天空范围内稳定，灵敏度最高位于黄道面附近，此处诱导的视差信号达到最大。
• 利用盖亚数据，可通过该方法检验‘行星X’作为长周期彗星扰动源的假说。