利用引力成像在宇宙学距离上探测百万太阳质量天体：强引力透镜系统的毫角秒VLBI研究

《Nature Astronomy》：A million-solar-mass object detected at a cosmological distance using gravitational imaging

本刊推荐：为解决亚星系尺度结构对星系形成模型和暗物质性质的检验难题，研究人员利用全球甚长基线干涉测量（VLBI）对强引力透镜系统JVAS B1938+666开展毫角秒分辨率观测，通过非参数引力成像（GI）技术和参数化建模，在红移0.881处发现质量为m80=(1.13±0.04)×106M⊙的低质量扰动体??，其统计显著性达26σ。该研究首次在宇宙学距离上通过纯引力效应探测到百万太阳质量级天体，为暗物质子晕探测提供了新范式。

　　

在探索宇宙结构的微观尺度上，天文学家长期面临一个关键挑战：如何探测那些质量微小、光度暗淡的天体？这些隐藏在星系暗物质晕中的低质量子结构，正是检验ΛCDM（冷暗物质）宇宙学模型和暗物质性质的关键探针。然而，传统光学观测手段在探测质量低于10⁸M_⊙的天体时力不从心，尤其当这些天体位于遥远宇宙深处时，其微弱的光信号往往湮没在背景噪声中。

强引力透镜技术为这一难题提供了巧妙的解决方案。当一个前景星系的强大引力场扭曲并放大背景天体的光线时，形成的引力弧就像宇宙的“放大镜”，使得天文学家能够通过分析光线畸变来反推透镜体的质量分布。此前，哈勃空间望远镜（HST）、凯克天文台自适应光学系统（Keck AO）和阿塔卡马大型毫米波阵列（ALMA）的观测虽已成功探测到几个质量在10⁸-10⁹M_⊙范围的扰动体，但角分辨率限制阻碍了向更低质量尺度的突破。理论研究表明，探测更小天体的关键在于解析其引力透镜特征尺度，这迫切需要达到毫角秒量级的观测精度。

针对这一挑战，由马克斯·普朗克天体物理研究所D.M. Powell领导的研究团队将目光投向了强引力透镜系统JVAS B1938+666。这个系统包含一个红移z_l=0.881的早型星系，其引力场扭曲了来自背景红移z_s=2.059星系的射电辐射。研究团队利用全球VLBI阵列在1.7 GHz频率上对该系统进行了14小时观测，获得了角分辨率高达5毫角秒的精细数据。观测显示系统包含一个明亮的四重成像特征，其中两个像合并成约200毫角秒长的极细引力弧，以及一个较暗的双重成像成分。

研究方法的核心是可见度平面贝叶斯前向建模技术。团队使用PRONTO软件联合推断像素化源表面亮度分布和透镜质量模型参数。首先通过参数化建模确定透镜星系的大尺度质量分布（宏观模型），并包含先前探测到的～10⁸M_⊙扰动体??的截断等温体（PJ）模型。随后应用非参数引力成像（GI）技术，通过像素化方式寻找透镜系统中局部质量过密度。为验证GI结果，团队还进行了独立的参数化建模，比较不同质量剖面（PJ_free、PJ_tidal、NFW_sub）的贝叶斯证据值。

引力成像发现新扰动体

GI分析在明亮延伸弧附近发现一个强烈的紧凑正质量修正特征，标记为??。该特征对GI像素尺寸和贝叶斯先验选择表现稳健。视觉对比显示，??的引力效应使焦散曲线折叠回源上，同时消除了表面亮度不连续性并改善了模型残差。六组不同GI运行结果一致显示，在80 pc投影半径内的质量范围介于8.3×10⁵M_⊙至1.8×10⁶M_⊙之间。

参数化建模确认检测显著性

独立参数化建模强烈支持??的存在，贝叶斯对数证据值ΔlogE=+348（对应26σ显著性）。当采用自由截断半径的PJ剖面时，测得总质量m_tot,??=(2.82±0.26)×10⁶M_⊙，截断半径r_t,??=149±18 pc。为消除参数相关性，团队定义m_80,??为透镜平面80 pc投影半径内的柱面质量，获得最精确测量值m_80,??=(1.13±0.04)×10⁶M_⊙（3.3%相对不确定度）。??的位置定位精度达194μas（y方向）和86μas（x方向），对应1.5 pc物理尺度。

质量剖面一致性检验

比较GI与参数化建模的质量剖面显示，在80 pc半径处一致性达～50%。不同宏观模型和??剖面选择下，m_80,??保持稳定。当对??采用潮汐截断的PJ_tidal模型时，m_80,??=(1.07±0.04)×10⁶M_⊙仍与自由参数模型一致，但较小的r_t导致证据值降低，提示实际三维位置可能偏离投影假设。

宇宙学意义与天体性质探讨

从ΛCDM子晕丰度看，在全部透镜像周围1.06×10^-2角秒平方敏感区域内探测到至少一个[10⁶,10⁷]M_⊙质量区间冷暗物质子晕的概率为P(n≥1)=0.65，与标准模型无强烈冲突。然而伴随研究（Vegetti等，准备中）发现最佳拟合NFW子晕模型的浓度远高于模拟预期，与JVAS B1938+666中??和SDSSJ0946+1006中～10⁹M_⊙天体的高浓度现象类似。中等质量黑洞和球状星团剖面被高统计显著性排除，但延展型超紧凑矮星系可能性仍存。

这项研究通过毫角秒分辨率VLBI观测结合先进透镜建模技术，实现了对百万太阳质量级天体的精确引力探测。其创新性在于将探测灵敏度推向新低质量尺度，为研究暗物质子晕分布、检验温暗物质模型提供了直接观测依据。未来通过深度光学/红外观测探测??的光度信号，将最终揭示这类低光度天体的物理本质。该工作标志着VLBI强透镜观测已成为探索宇宙学距离上低光度天体的独特工具，为理解星系形成和小尺度结构打开新窗口。