[论文解读] 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)|Jul 29, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 3被引用 9

一句话总结

本研究利用更新的Gaia EDR3自行数据和校正后的质量估算方法，重新审视了先前被识别为潜在暗致密星体的OGLE-III微引力透镜事件。结果表明，先前对质量的估计——尤其是对‘质量间隙’和黑洞候选体的估计——由于错误的距离先验和有偏的自行采样方法而被显著高估，暗示这些天体更可能是白矮星、中子星或主序星。

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.

研究动机与目标

• 重新评估先前在OGLE-III微引力透镜事件中识别出的孤立致密星体残骸的质量。
• 校正先前质量估计中因错误的源距离先验和不恰当的透镜-源自行采样而产生的系统性偏差。
• 评估‘质量间隙’和黑洞候选体是否更可能为白矮星、中子星或主序星。
• 利用测光微引力透镜数据和Gaia天体测量数据，提高对孤立暗致密星体残骸质量估计的准确性。
• 通过与独立的自行测量和更新的银河系运动学模型对比，验证透镜质量推断的可靠性。

提出的方法

• 使用公式（2）重建透镜质量后验分布：$ M = \frac{t_{\rm E} \mu}{\kappa \pi_{\rm E}} $，其中 $ t_{\rm E} $、$ \pi_{\rm E} $ 和 $ \mu $ 均来自光曲线和自行数据。
• 将Gaia EDR3自行数据应用于源恒星，取代Bailer-Jones等人（2018）提供的、对银心区域源距离低估的旧距离估计。
• 实施一种校正后的银河系先验，用于透镜-源自行，考虑形成时的反冲速度，并避免偏向高自行解的偏差。
• 使用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）采样，结合对透镜距离和速度分布的物理合理先验，避免对 $ \mu $ 采用均匀采样，后者会夸大质量估计。
• 在贝叶斯框架中同时考虑盘和银心区域的透镜位置，修正了先前假设透镜必须位于银河系盘内的先验错误。
• 通过与OGLE对关键事件（如OGLE3-ULENS-PAR-13）提供的独立自行测量对比，验证结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 先前报告的OGLE-III微引力透镜事件中‘质量间隙’和黑洞候选体是否更可能为白矮星或中子星？
• RQ2 Bailer-Jones等人（2018）提供的错误源距离先验在多大程度上导致了微引力透镜事件中质量估计的偏差？
• RQ3 对透镜-源自行的不恰当采样在单透镜微引力透镜事件中如何影响推断的透镜质量分布？
• RQ4 形成反冲速度对透镜-源自行后验分布及质量的影响是什么？
• RQ5 在缺乏额外天体测量或干涉测量数据的情况下，Gaia EDR3自行能否可靠地约束长时间微引力透镜事件中的透镜质量？

主要发现

• ‘质量间隙’和黑洞候选体的推断质量比先前报告的低约2至12倍，其中大多数现在与白矮星或中子星一致。
• 在八个重新分析的事件中，源的中位距离先前被低估为4.0 kpc（Bailer-Jones 2018），但Gaia EDR3数据显示距离约为8 kpc，与银河系银心区域一致。
• 假设透镜位于银河系盘内的先验导致质量被高估；将银心区域透镜可能性纳入考虑后，推断质量显著降低。
• 使用均匀分布对透镜-源自行进行有偏采样，导致 $ \mu $ 被高估，从而引发质量估计的膨胀；校正此采样方法后，质量估计显著降低。
• 对于OGLE3-ULENS-PAR-13，利用OGLE提供的自行数据，原始质量估计 $ 5.9^{+2.1}_{-1.7} M_\odot $ 被修正为 $ 2.9^{+2.0}_{-1.8} M_\odot $，显著降低了其为黑洞的可能性。
• 所有修正后的质量估计均为统计推导结果，依赖于所假设的银河系模型；没有事件被确凿证实为黑洞，但所有结果现在均与低质量致密星体或主序星一致。