Mikrosoczewkowanie astrometryczne i jego zastosowania astrofizyczne w dobie misji kosmicznych nowej generacji

Mikrosoczewkowanie zapewnia wyjątkową możliwość wykrywania obiektów nieświecących. W rzadkich przypadkach, gdy możliwe jest zmierzenie rozmiaru pierścienia Einsteina theta_E i paralaksy mikrosoczewkowej pi_E, masa soczewki może zostać wyznaczona na podstawie pomiaru zmian jasności źródła. Wymaga to jednak szczególnych okoliczności - zazwyczaj zarejestrowania jego przejścia przez kaustykę. Alternatywną drogą jest obliczenie rozmiaru pierścienia Einsteina poprzez obserwację tzw. mikrosoczewkowania astrometrycznego, a więc zmiany pozycji centroidu światła w wyniku oddziaływania soczewki. Jest to efekt znacznie bardziej subtelny i trudniejszy do wykrycia niż fotometryczna część zjawiska. Niemniej jednak, wraz z postępem technologicznym zarówno w obserwatoriach naziemnych, jak i kosmicznych, pomiary astrometryczne stają się wykonalne, co może prowadzić do bardziej rutynowego określania theta_E a w konsekwencji także mas soczewek. Jest to szczególnie ekscytujące w kontekście gwiazdowych czarnych dziur - zgodnie z teoretycznymi przewidywaniami, w naszej Galaktyce znajduje się kilkaset milionów tych osobliwych obiektów, jak dotąd wykrywanych jedynie w układach podwójnych. Mikrosoczewkowanie jest jedyną metodą umożliwiającą bezpośrednie obliczenie funkcji mas i rozkładu przestrzennego nieświecących, pojedynczych obiektów znajdujących się w Drodze Mlecznej, jak gwiazdy neutronowe, czy właśnie gwiazdowe czarne dziury. W niniejszej pracy eksplorujemy możliwości pomiaru zjawiska mikrosoczewkowania astrometrycznego, koncentrując się przede wszystkim na misji kosmicznej Gaia oraz Teleskopie Kosmicznym Nancy Grace Roman - planowanej misji NASA, której start przewidywany jest na rok 2027. Rozważamy także możliwości płynące z połączenia pomiarów astrometrycznych z przestrzeni kosmicznej z fotometrycznymi obserwacjami naziemnymi. Pozwala to na odpowiednie pokrycie krzywej blasku, co jest niezbędne do dokładnego określenia parametrów, przede wszystkim paralaksy mikrosoczewkowej. W naszych rozważaniach analizujemy kilka przykładowych zjawisk mikrosoczewkowania obserwowanych w ramach misji Gaia, dla których koordynowane były szerokie kampanie naziemnych obserwacji fotometrycznych. Przedstawiamy także jedną z pierwszych detekcji mikrosoczewkowania astrometrycznego, dokonaną dzięki analizie wstępnych danych astrometrycznych z misji Gaia dla zjawiska Gaia16aye, która umożliwiła niezależny pomiar pierścienia Einsteina i masy soczewki. Na podstawie symulacji danych z teleskopów kosmicznych, a także analizy przykładowych zjawisk obserwowanych przez misję Gaia stwierdzamy, że zjawisko mikrosoczewkowania astrometrycznego, które od strony obserwacyjnej jest znane od niedawna, w ciągu najbliższej dekady znacznie zwiększy naszą wiedzę o Galaktyce. Zostało to zapoczątkowane przez misję kosmiczną Gaia, zaś Teleskop Nancy Grace Roman całkowicie zrewolucjonizuje dziedzinę i podejście do mikrosoczewkowania. Dzięki regularnym pomiarom pierścienia Einsteina możliwe będzie dokładna charakteryzacja znacznej części soczewek, co jest istotne zwłaszcza dla populacji pozostałości gwiazdowych, w szczególności gwiazd neutronowych oraz izolowanych czarnych dziur, które na ogół nie są dostępne badaniom innymi metodami.

Microlensing provides a unique opportunity for detecting non-luminous objects. In the rare case where it is possible to measure Einstein ring size theta_E and microlensing parallax pi_E, the mass of the lens can be determined by accurately covering the light curve. However, this requires special circumstances - usually recording the source crossing the caustic. An alternative way is to calculate the size of the Einstein ring by observing the so-called astrometric microlensing, i.e. changes in the position of the light centroid. This effect is much more subtle and more difficult to detect than the photometric part of the phenomenon. Nevertheless, as technology advances in both ground and space observatories, astrometric measurements are becoming feasible, which could lead to a more routine determination of theta_E and, as a consequence, also lens mass. This is particularly important in the context of stellar black holes - according to theoretic predictions from stellar evolution models, there are several hundred million of these peculiar objects in our Galaxy, but so far they were only detected in binary systems. Microlensing is the only method that allows to directly calculate the mass function and spatial distribution of non-luminous single objects in the Milky Way, such as neutron stars or stellar black holes. In this work, we explore the possibilities of measuring the astrometric microlensing signal, focusing primarily on the Gaia space mission and the Nancy Grace Roman Space Telescope - a planned NASA mission, scheduled to launch in 2027. We are also considering the possibilities of combining astrometric measurements from space with photometric ground-based observations. This allows for the dense coverage of the light curve, which is necessary for the precise determination of vital parameters, especially the microlensing parallax. We analyse several examples of microlensing events observed in the Gaia mission, for which extensive ground-based photometric campaigns were organised. We also present one of the first astrometric microlensing signals ever detected, found in the preliminary Gaia astrometric time series, collected for the Gaia16aye microlensing event. It allowed for the independent measurement of Einstein's ring and lens mass. Based on the simulation of the data from space telescopes, as well as the analysis of a few example events observed by the Gaia mission, we conclude that the astrometric microlensing, which was first detected only recently, will significantly increase our knowledge of the Galaxy within the next decade. This process has been initiated by the Gaia space mission, while the Nancy Grace Roman Telescope will completely revolutionise the field and approach to microlensing. Thanks to regular measurements of the Einstein ring, it will be possible to accurately characterise a large part of the lenses, which is important especially for studying the population of stellar remnants, in particular neutron stars and isolated black holes, unavailable with other methods.