[论文解读] Can HST Measure the Mass of the Isolated Neutron Star RX J185635-3754 ?

B. Paczyński|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2001

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 3

一句话总结

本文提出利用哈勃空间望远镜（HST）天体测量法，通过观测背景恒星因引力透镜效应引起的星位移，测量孤立中子星RX J185635-3754的质量。在为期一年的事件中，中子星引力场将使恒星像产生约0.6毫角秒的位移，通过爱因斯坦环半径和相对几何关系可确定质量，提供一种新颖且直接的质量测量方法。

ABSTRACT

In June 2003 the isolated neutron star RX J185635-3754 will pass within 0.3'' of a 26.5 mag star, changing its position by about 0.6 mas. The displacement, caused by gravitational lensing, will be proportional to the neutron star mass. The total event duration will be approximately 1 year.

研究动机与目标

• 提出一种利用引力透镜效应直接测量孤立中子星质量的天体测量方法。
• 利用RX J185635-3754即将近距离掠过一颗暗淡背景恒星的机会，实现此类测量。
• 评估HST先进巡天相机（ACS）检测亚毫角秒位移的可行性。
• 为理论中子星质量估计（特别是Pons等人，2001年提出的模型）提供一种新测试。
• 展示天体测量微引力透镜法在无需双星伴星的情况下探测致密天体质量的潜力。

提出的方法

• 利用中子星质量使背景恒星光线发生偏折的引力透镜效应，导致可测量的星位移。
• 应用爱因斯坦环半径公式：φ_E = (4GM / (c² d_π))^(1/2)，其中d_π为透镜的周年视 parallax 距离。
• 估算最大位移 δφ ≈ φ_E² / Δφ，其中Δφ = 300 mas为最近接近时的角距离。
• 利用HST的先进巡天相机（ACS）实现亚毫角秒量级的天体测量精度，目标为0.6 mas的位移。
• 结合测量得到的δφ、Δφ和d_π，通过质量公式 M/M☉ = 2.25 × (d_π / 61 pc) × (δφ / 1 mas) × (Δφ / 300 mas) 推导中子星质量。
• 利用HST在暗淡天体上实现0.1 mas精度的天体测量经验，结合WFC3对中子星进行的先前视 parallax 测量成果。

实验结果

研究问题

• RQ1 HST能否探测到由孤立中子星引力透镜效应引起的0.6 mas天体测量位移？
• RQ2 先进巡天相机（ACS）是否能在26.5等的暗淡背景恒星上实现所需的亚毫角秒精度？
• RQ3 能否通过此透镜方法独立测定RX J185635-3754的质量，从而对理论模型进行检验？
• RQ4 该透镜事件的预期持续时间与时间尺度为何？是否与HST观测计划兼容？
• RQ5 该方法能否推广用于通过天体测量微引力透镜法测量其他孤立致密天体的质量？

主要发现

• 由于引力透镜效应，背景恒星的最大天体测量位移估计为0.6 mas，HST的ACS可实现该精度。
• 假设中子星质量为1.4 M☉，距离为61 pc，计算得爱因斯坦环半径约为14 mas。
• 该透镜事件预计持续约一年，时间尺度Δt ≈ 1年，基于中子星每年332 mas的自行运动。
• 中子星的周年视差为16 mas，几乎等于其爱因斯坦环半径，形成有利于测量的有利几何构型。
• 该方法可通过公式 M/M☉ = 2.25 × (d_π / 61 pc) × (δφ / 1 mas) × (Δφ / 300 mas) 实现质量测定，从而实现从可观测量出发的直接标定。
• 可行性得到支持：此前HST已在0.1 mas精度下对暗淡天体完成天体测量，且ACS预计在2003年事件发生时仍可正常运行。