北京大学物理学院天文学系东苏勃教授领衔的科研团队首次成功分辨了双透镜系统所成的微引力透镜多重像。研究团队利用位于智利的欧洲南方天文台（ESO）的甚大望远镜光干涉阵（VLTI）的GRAVITY仪器，观测了ASASSN-22av微引力透镜事件，分辨了多重像及环状像，以高精度测量了透镜系统中的红矮星双星的质量。这是东苏勃团队继2019年发表首次成功分辨微引力透镜双像的成果后，再次推动该领域的发展，为探测宽距双星中的黑洞等致密天体打开了一扇新窗口。
该成果以“First Resolution of Microlensed Images of a Binary-Lens Event”为题，于2024年12月17日发表在国际天文专业期刊《天体物理杂志》（The Astrophysical Journal）上。论文第一作者为北京大学天文学系博士生吴泽炫，通讯作者为东苏勃教授，科维理研究所助理教授上官晋沂为论文的主要作者之一，合作者还包括ESO、德国马克斯·普朗克地外物理研究所(MPE)以及美国、波兰、新西兰、瑞典、澳大利亚等多国研究机构的研究人员。
微引力透镜现象是爱因斯坦广义相对论的重要预言之一。当一颗背景恒星与前景天体在视线方向上几乎重合时，前景天体（“透镜”）的引力场会使来自背景恒星的光线产生偏折，从而形成多重像甚至环状像（即“爱因斯坦环” ）。然而，银河系内典型的微引力透镜事件的爱因斯坦环角半径大小仅为毫角秒量级（一毫角秒等于360万分之一度），远小于最大单口径光学望远镜的分辨极限，因而直接分辨微引力透镜的多重像极为困难。通常可观测的效应是，背景恒星在透镜天体的引力聚焦下变亮。当前人们通过大视场巡天实时监测海量恒星的亮度变化，来发现微引力透镜事件。这种亮度的变化源于透镜天体的引力作用、不取决于透镜本身的亮度，所以微引力透镜可用来探测暗弱的、甚至完全不发光的天体，例如流浪行星、中子星和黑洞等。微引力透镜是目前唯一能够探测孤立恒星级黑洞的方法。
证认黑洞需要准确测量透镜天体的质量。但是，光变曲线（即亮度随时间变化）的测量往往只能给出透镜天体质量与距离的函数关系，还需要关键的观测量——爱因斯坦环角半径来打破参数简并，定出透镜天体质量。使用VLTI光干涉分辨微引力透镜所成的像，可实现高精度直接测量爱因斯坦环角半径， 从而测量透镜质量。2019年，东苏勃团队发表了首次成功分辨了微引力透镜双像的成果，其透镜天体为一颗0.5倍太阳质量的红矮星。
图一：2022年1月22日VLTI GRAVITY观测时ASASSN-22av微引力透镜事件所成的像（橙色区域）。两个透镜天体的视位置如青色点所示，与背景恒星（橙色圆圈所示）的视位置间距很小，所成的像接近一个完整的爱因斯坦环。罗盘示意正北和正东。
2022年1月19日，国际合作项目“全天自动化超新星巡天”（ASAS-SN）发现了微引力透镜事件ASASSN-22av。ASAS-SN在全球部署了6个节点（共24台望远镜），对全天开展实时监测，其中1个节点由北京大学提供经费支持，位于中科院新疆天文台南山观测站。该事件是在ASAS-SN的南非节点拍摄的数据中发现的。收到ASASSN-22av预警后，研究团队迅速申请到ESO台长机动时间，成功获得了三晚的VLTI GRAVITY高质量光干涉数据。通过对光变曲线的建模，团队发现透镜系统由两个天体构成。双透镜成的像要比单透镜复杂，分析光干涉数据的难度也相应的大得多：对于理想的点源，单透镜成两个像，而双透镜则成三个或五个像，且需要考虑背景恒星源的大小所造成的“延展源效应”。团队发展了针对双透镜光干涉数据的建模方法，开展了对光变曲线和光干涉数据的联合分析，成功分辨了多重像，并实现以0.3%的精度测量了ASASSN-22av的爱因斯坦环角半径，为0.724 ± 0.002毫角秒。同时，团队还精确测量了透镜天体的物理参数：双星系统中的两颗恒星质量分别为太阳质量的0.258 ± 0.008倍和0.130 ± 0.007倍，二者间距约为7个天文单位（天文单位为日地平均距离），轨道周期约为28年。该方法未来可应用于寻找宽距双星中的黑洞，与引力波、X射线双星等方法探测的间距更近的双星系统形成互补。
图二（动图）：微引力透镜事件ASASSN-22av的双透镜模型光变曲线（左图）及所成像（右图）的示意图。左图展示了在2022年1月时事件的放大率（背景恒星变亮的倍数）随时间的变化，红线为VLTI GRAVITY的观测时刻。右图展示了VLTI GRAVITY观测时与所成的像（橙色区域）以及相应的背景恒星位置（橙色圆圈）、运动轨迹（白色实线）和透镜焦散线（蓝色）。图中的罗盘示意正北和正东。
东苏勃团队及合作者正在利用GRAVITY开展对恒星级黑洞的系统搜寻。GRAVITY是MPE主导研发的近红外干涉仪。MPE联合ESO等单位正在大幅升级 GRAVITY的性能，预期到2025年，其探测灵敏度将有数量级的提升，届时有望批量发现恒星级黑洞。
这项研究工作得到了国家自然科学基金重点项目、新基石科学基金会科学探索奖和中国科学院国家天文台有偿使用国外望远镜计划（TAP）等项目的支持。
文章链接为：
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad90b9
