[论文解读] Flashlights: More than A Dozen High-Significance Microlensing Events of Extremely Magnified Stars in Galaxies at Redshifts z=0.7-1.5

Patrick L. Kelly, Wenlei Chen+24 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2022

Astronomy and Astrophysical Research被引用 9

一句话总结

本研究利用Flashlights计划的超深空哈勃空间望远镜观测，发现了十余个在红移z=0.7–1.5星系中极高度放大的恒星的高显著性微引力透镜事件。通过在六个哈勃深空场星系团中利用引力透镜效应，该团队通过临界曲线附近的瞬时增亮现象识别出高温、大质量恒星和致密天体，从而对初始质量函数、暗物质成分以及高红移区的星系团内光提供了新约束。

ABSTRACT

Once only accessible in nearby galaxies, we can now study individual stars across much of the observable universe aided by galaxy-cluster gravitational lenses. When a star, compact object, or multiple such objects in the foreground galaxy-cluster lens become aligned, they can magnify a background individual star, and the timescale of a magnification peak can limit its size to tens of AU. The number and frequency of microlensing events therefore opens a window into the population of stars and compact objects, as well as high-redshift stars. To assemble the first statistical sample of stars in order to constrain the initial mass function (IMF) of massive stars at redshift z=0.7-1.5, the abundance of primordial black holes in galaxy-cluster dark matter, and the IMF of the stars making up the intracluster light, we are carrying out a 192-orbit program with the Hubble Space Telescope called "Flashlights," which is now two-thirds complete owing to scheduling challenges. We use the ultrawide F200LP and F350LP long-pass WFC3 UVIS filters and conduct two 16-orbit visits separated by one year. Having an identical roll angle during both visits, while difficult to schedule, yields extremely clean subtraction. Here we report the discovery of more than a dozen bright microlensing events, including multiple examples in the famous "Dragon Arc" discovered in the 1980s, as well as the "Spocks" and "Warhol" arcs that have hosted already known supergiants. The ultradeep observer-frame ultraviolet-through-optical imaging is sensitive to hot stars, which will complement deep James Webb Space Telescope infrared imaging. We are also acquiring Large Binocular Telescope LUCI and Keck-I MOSFIRE near-infrared spectra of the highly magnified arcs to constrain their recent star-formation histories.

研究动机与目标

• 构建z=0.7–1.5红移区首份高度放大的单颗恒星统计样本，以探测大质量恒星的初始质量函数（IMF）。
• 通过微引力透镜事件的频率和时标，约束星系团暗物质晕中原始黑洞的丰度。
• 研究高红移星系团中星系团内光的恒星种群组成。
• 利用微引力透镜恒星位置作为临界曲线的精确约束，改进星系团强引力透镜模型。
• 利用深紫外至光学成像，识别并表征高红移Lyman断层掉样本中的低红移混淆体。

提出的方法

• 在六个深空场星系团中，使用WFC3/UVIS仪器，通过F200LP和F350LP长通滤光片，进行192轨道的超深空、重复哈勃空间望远镜观测。
• 以相同滚动角度进行两次16轨道的观测，间隔一年，以实现干净的减除和精确的瞬变源探测。
• 利用高精度透镜模型（如WSLAP+、GLAFIC、GRALE）绘制临界曲线，并在临界曲线附近识别微引力透镜候选体。
• 分析瞬变源的光变曲线，依据时标和与临界曲线的接近程度，将微引力透镜与其他变源区分开。
• 利用凯克望远镜I的MOSFIRE和LBT的LUCI获取近红外光谱，约束放大的弧状结构的恒星形成历史。
• 将HST的紫外至光学成像与未来的詹姆斯·韦布空间望远镜红外数据相结合，探测更冷的恒星并完成恒星种群普查。

实验结果

研究问题

• RQ1 微引力透镜事件的频率和特性所约束的初始质量函数，如何揭示z=0.7–1.5红移区大质量恒星的初始质量函数？
• RQ2 高显著性微引力透镜事件对星系团暗物质晕中原始黑洞丰度有何约束？
• RQ3 高红移星系团中星系团内光的恒星种群与本地宇宙中的恒星种群相比如何？
• RQ4 微引力透镜恒星的位置能否为星系团透镜模型的临界曲线提供更精确的约束？
• RQ5 低红移混淆体在多大程度上污染了高红移Lyman断层掉样本？深紫外成像在识别它们方面有何帮助？

主要发现

• Flashlights计划在红移z=0.7–1.5的星系中探测到十多个高显著性微引力透镜事件，包括在龙弧（z=0.73）、Spocks弧（z=1.01）和Warhol弧（z=1.26）中发现的事件。
• 在龙弧中发现的三个瞬变源极有可能是微引力透镜事件，因其与临界曲线极为接近，且得到WSLAP+和GLAFIC透镜模型的确认。
• 在Abell S1063场中一个较低红移的弧（z=0.73）中发现了两个额外的高显著性瞬变源，若其位于临界曲线附近，则与微引力透镜一致。
• 该计划在Warhol弧中识别出微引力透镜事件，其变异性出现在一对蓝特超巨星的位置，证实了致密天体或恒星的存在。
• 本研究证明，具有紫外至光学灵敏度的深空、重复HST成像可揭示此前在高红移区难以探测到的高温大质量恒星群体。
• 微引力透镜恒星的位置为星系团透镜模型的临界曲线提供了新的、精确的约束，从而提高了模型的准确性。