光学引力透镜试验:OGLE-IV

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报告题目: OGLE-IV – the Fourth Phase of the OGLE Survey
时间地点：May 5, 2011, Carnegie Observatories
报告人：Andrzej Udalski (University of Warsaw)

背景介绍：

来自波兰华沙大学的天文学家Andrzej Udalski本周访问Carnegie天文台并在今天做了关于OGLE巡天最新进展的报告。OGLE巡天是一项已经持续了近20年的项目，虽然很早就知道这个项目的名字，但从来没有认真的了解过其科学成果，只知道这个巡天开始也是以利用地面微引力透镜观测检验晕天体作为暗物质候选的(大质量致密晕天体: Massive Compact Halo Objects MACHOs)，随着对暗物质候选的限制逐渐尘埃落定，也转向了更吸引人的题目：微引力透镜探测系外行星。但我不了解的是，这个1米级望远镜上的工作，竟然产生了如此多的科学成果，涵盖了如此多的天文学范畴，实在让人敬佩。报告人Udalski现在是波兰华沙大学天文台的领导，但似乎是个有些沉默的人，访问期间每天参加Carnegie的astro-ph讨论也是不言不语，不过在波兰乃至整个欧洲他都算得上是极有声望的天文学家，从2009年欧洲奖励他的250万欧元科研经费就可见一斑。下面简单的介绍一下OGLE巡天，由于其中很多的具体科学细节实在超出我个人知识范围，加上Udalski今天展示的科学结果大多是最新且未发表的(居然还有前天他本人发现的。。。)，所以后面的科学成果主要来自OGLE主页的介绍，我们在后面附上了尽可能全面的延伸阅读，中英文都有，希望可以满足不同需求的同学。

 


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Fig.1: OGLE第四期巡天在银盘区域的天区覆盖示意图。图片来自OGLE项目主页。

OGLE巡天项目：

微引力透镜效应探测的科学想法来自于另一位著名的波兰裔天文学家Paczynski (ApJ, 304, 1; ApJ Letters, 371, L63)，由于需要密集的星场提供大量的背景参照源，银河系核球方向和大小麦哲伦星系方向是最适合进行这项研究的地点。对大小麦云，透镜源多为银河系晕中的天体，而银河系核球方向的透镜多为低质量盘星，这样的设计的目的也是出于天文学家最初开始期待微引力巡天的原因：确定银河系晕中的暗物质能否用重子物质解释。由于不仅需要探测到微引力透镜事件，还需要一定量的样本进行统计研究，加之预测的引力透镜效应都非常的弱，长期的，大数据量的巡天几乎是唯一实现这一科学目的方法。


fig2 

Fig.2: 位于智利Las Companas天文台的1.3m口径“华沙”望远镜，OGLE项目的所在地。图片来自OGLE项目主页。

OGLE巡天第一期开始于1992年，利用Carnegie天文台的Swope 1m望远镜上的2048×2048像素照相机进行了试探性的巡天，到1995年结束，这期间主要的科学成果总结如下(具体参见这里)：

  • 1. 第一个银河系核球方向的微引力透镜探测 (Udalski et al. 1993)
  • 2. 首先确定了银河系核球方向的微引力透镜事件的光学深度 (Udalski et al. 1994a)
  • 3. 第一次探测到了双星系统的微引力透镜效应 OGLE-BUL-7 (Udalski et al. 1994b)
  • 4. 建立了微引力透镜事件的实时通报和处理系统(EWS: Early Warning System; Udalski et al. 1994c) )
  • 5. 通过研究银河系核球方向的结构找到了银河系棒结构的存在证据 (Stanek et al. 1996)
  • 6. 发布了银河系核球方向的消光分布图 (Stanek 1996)
  • 7. 确认了银心方向的2861个周期变星 (Udalski et al. 1997)
  • 8. 球状星团半人马座Omega和杜鹃座47中食变双星系统的发现 (Kaluzny et al. 1996)

    •  

    虽然取得了早期的显著成果，但OGLE-I还是有很多设备和条件上的限制，为此，波兰华沙大学和Carnegie天文台，普林斯顿大学合作，专门设计了一架口径1.3米的望远镜，安放在Las Campanas天文台，凭借着那里的地理优势和良好的视宁度开展了进一步的研究，OGLE-II于1997年正式开始，2001年重新开始的OGLE-III使用了当时世界上最大的8块CCD拼接的大视场照相机(8192×8192 pixels of 0.26 arcsec/pixel)，观测视场达到了 (35’x35′)。OGLE-II的具体设计和科学成果可以参考这里的总结文章，OGLE-III请见这里。

    从去年正式开始的OGLE-IV则更是更新了32块CCD拼接而成的超级照相机，视场达到了变态的1.4平方度，而读出时间只有20s(在时间分辨要求高的观测中，CCD阵列的读出时间也是重要的限制之一)。观测在V和I两个标准的测光波段进行，可以提供颜色信息，对变星等源的研究非常有用，关于OGLE-IV望远镜的各种参数，请参考这里，天区覆盖信息可以在这里查看。


    fig3     

    Fig.3: 32块CCD拼接而成的OGLE大视场照相机。图片来自OGLE项目主页。


    fig4     

    Fig.4: OGLE观测下的银河系核球最致密区域。图片来自OGLE项目主页。


    fig4     

    Fig.5: 微引力透镜探测系外行星的原理示意图。图片来自OGLE主页

    虽然最初设计的重子暗物质假设检验没有产生惊人的发现(这个假说的检验同时还有MACHO和EROS两个组进行，而且得到了有冲突的结果，不过目前基本认为银河系晕中的重子暗物质的上限估计远远不足以解释所有的不可见质量)，但其衍生出的各种科学发现却远远的超出了人们的想象，OGLE巡天的所有科学发现可以大致总结为如下几个方面 (此外，特别推荐延伸阅读中bozhang个人主页上两篇很好的介绍文章)：

  • 1. 引力透镜与微引力透镜事件研究：包括了几个巡天方向的透镜光深研究，一些特殊透镜事件的研究以及强引力透镜源的光变监测 (具体信息)
  • 2. 系外行星系统研究：包括了利用微引力透镜事件发现的和利用掩星事件发现的系外行星，其中不乏很有特点的源 (具体信息)
  • 3. 变星系统的研究：OGLE几期巡天产生了大量关于变星的有趣研究，其中包括目前最大的银河系和大小麦云中的经典造父变星和天琴座RR变星的星表 (具体信息)
  • 4. Kuiper带天体的研究：2010年开始的OGLE-Carnegie柯伊伯带天体巡天子项目已经发现了7颗候选天体，弥补了Palomar巡天不能观测南天的不足 (具体信息；插曲：报告时，Udalski介绍说他们发现了一个很亮很亮的候选天体，后来发现是冥王星，唉，可怜的冥王星，失宠的速度太快了吧)
  • 5. 天体测量学研究：受益于长观测周期和高测光精度，OGLE在银河系核球方向还得到了一些自行数据 (具体信息)
  • 6. 银河系，大小麦云和银河系卫星星系的测光结构研究 (具体信息)
  • 7. 星际消光的研究 (具体信息)
  • 8. 其他研究：包括到大小麦云的距离测定，大小麦云中的星团研究以及GRB方面的工作 (具体信息)

    • fig6     

    Fig.6: OGLE探测到的第一个微引力透镜事件的光变曲线。图片来自OGLE主页


    fig7     

    Fig.7: OGLE-III和EROS，MACHO巡天给出的晕中重子暗物质比例的上限估计，参考这里。图片来自OGLE主页


    fig8     

    Fig.8: OGLE探测到的银河系和大小麦云中的天琴座RR变星的数密度，颜色分布。图片来自OGLE主页


    fig9     

    Fig.9: OGLE探测到的一个有两颗行星的恒星系统的光变曲线，这个系统的有意思之处在于和太阳系有些相似，两颗行星和主星的相对位置，质量比和我们太阳系中的木星，土星比较接近，具体参考这里。图片来自OGLE主页


    fig10     

    Fig.10: 小麦云中的各种不同的变星在参数空间的分布，横坐标为周期的对数，纵坐标为Wi=I-1.55*(V-I)。图片来自OGLE主页

    启发与感触：

    之所以特地花时间总结这个报告除了其中应接不暇的科学成果值得玩味，更多的是因为这个科学项目本身带给我的震撼，或者说，启发，斗胆总结如下，供大家一起探讨：

  • 1. 一架1米口径，没有主动光学，自适应光学的望远镜可以做什么？OGLE巡天可以说给出了超出想象的答案
  • 2. 项目的成功依赖了哪些物质条件？显然，Las Campanas天文台独一无二的条件是必须的，量身订造的“超级”拼接照相机也是关键，简单的说，观测条件，科学设备是多么的重要啊
  • 3. 明确的科学目标，大胆的科学预测和“保守”的科学设计：说保守，其实应该说循序渐进，不断的测试，不断的改进也是一个项目能够延伸20年跨度而依然欣欣向荣的保证
  • 4. 数据处理，一定要心中有数：OGLE-IV巡天每夜产生了200GB的测光数据，由于观测星场有很好的研究，变星等规则光变天体已经归档，全自动的数据处理pipeline会自动完成数据的各种处理，所有探测的有明显位移的源和微引力透镜信号的候选都会由计算机选出，进入EWS(Early Warning Systrm)供科学家实时查看，这也是为什么OGLE-IV第一阶段的巡天数据只有Uldaski一个人处理(一个学生都不要，太恐怖了)，却可以非常有效的发现各种好玩的天体。

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    延伸阅读：

  • 1. OGLE巡天的主页，信息量很大，推荐感兴趣的同学慢慢的挖掘</