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Sandbox Physics
暗行星怎样弯曲星光

AC23 · L4

用五份已发表观测重算 OGLE-2005-BLG-390

已发表的测光里,有一段短促的行星扰动。把它拟合出来,是很好的微透镜练习;重现发现论文给出的行星质量,则还需要另一层推断。我们用同一批原始测量比较几种模型,留下没走通的起点,并在文件不再回答问题的地方停下来。

先数清手里的文件

作者项目公开了五份小测光表:Danish、Perth、Canopus、RoboNet 和 MOA,分别有151、65、12、52和28行,共308次测量。发现论文使用了六个观测站的650个点。这里对可获取子集独立拟合,没有复现原始数据归约,也不沿用论文的精度。

每行三个数,依次是已发表的相对儒略日坐标、仪器星等和星等误差。日期与 HJD 减2450000以及事件发生时间相符,但这些文件没有表头,也没有声明精确时标与曝光时长。保留原日期,不能把列名换成 BJD/TDB 就当完成了时间转换。

五个观测站的仪器星等零点不同。我们分别拟合基线星等和背景恒星所占的光,误差仍采用原文件数值。不能为了让偏好的模型看起来合适,悄悄重缩放误差。

这些测光文件尚未找到明确的再分发许可。材料包只列出原站网址、字节数和校验值,由下载器直接取到你的电脑。网页展示模型层面的聚合结果与自有合成图,不镜像观测,也不把观测逐行变换后重新发布。

对应阅读:OGLE published OGLE-2005-BLG-390 project files · Beaulieu et al. (2006), OGLE-2005-BLG-390 discovery, astro-ph/0601563v1

准备一套离开网站也能运行的计算

下载并解压下方的 microlensing-science.zip。包里的 Python 科学程序和小型 C++ 调用程序,与交互 Lab 独立。作为参考的 VBBinaryLensing 从上游固定提交下载,连同 LGPL 许可保存在本地,再用编译器构建。整个过程不导入受保护的浏览器引擎。

                    python3 -m venv .venv
. .venv/bin/activate
python -m pip install -r requirements.txt
python verify_package.py
python fetch_observations.py --output observations
python fetch_reference.py --output reference
python replay_results.py --materials . --output replay-summary.json
                  

第一条验证命令逐项检查文件字节与校验值。两个下载器只接受具名来源与固定校验值;来源字节一旦改变,就报错停下,不会悄悄换掉实验。命中已验证的本地缓存,与真正发出 HTTP 请求会分别记入下载回执。

replay 用新下载的数据重新计算冻结参数的预测,并重新拟合每个台站的零点和混光,再按给定容差比较聚合统计量。这叫前向复算。下一节的命令才重新搜索参数,耗时更长,也可能停在不同的局部极小值。

对应阅读:Bozza et al. (2018), VBBinaryLensing finite-source methods · OGLE published OGLE-2005-BLG-390 project files

先写同一个似然,再换透镜

对第kk个台站,用m0,km_{0,k}表示基线星等,fkf_k表示基线光里来自被透镜恒星的比例,允许范围是零到一。先把恒星和前景光相加,再取星等:

mpred,i=m0,k(i)−2.5log⁡10 ⁣[1+fk(i)(Ai−1)]m_{{\rm pred},i}=m_{0,k(i)}-2.5\log_{10}\!\left[1+f_{k(i)}(A_i-1)\right]
放大率先作用于光通量。这里把其他前景光视为常量。
χ2=∑i[mpred,i−miσi]2\chi^2=\sum_i\left[\frac{m_{{\rm pred},i}-m_i}{\sigma_i}\right]^2
报告对数似然时保留高斯归一化项。残差方向是预测星等减观测星等。

给定光源比例后,最佳基线是一个精确的加权平均;再做一维有界优化,并单独检查两个端点,就能剖面化光源比例。每种透镜都走同一套处理,混光不能只替某个模型开方便之门。

I 波段台站采用发现论文的临边系数0.538,RoboNet 的 R 波段采用0.626。MOA 的自定义红波段在基线计算中先按 I 类处理,后面再改成 R 类做敏感性检查。这些系数先固定在选定的恒星大气近似上,再比较不同取值对拟合的影响。

对应阅读:Beaulieu et al. (2006), OGLE-2005-BLG-390 discovery, astro-ph/0601563v1

试平滑透镜、点光源和有大小的恒星

                    python fit_event.py --materials . --output fresh-fit --maximum-evaluations 100
python fit_point_binary.py --materials . --baseline-results fresh-fit/fit-history.json --output fresh-point-source
                  

第一条命令先拟合单点质量透镜,恒星半径固定为论文给出的穿越时间比例;随后拟合七参数的有限光源宽双透镜和近双透镜。宽、近分别指间距大于、小于总质量的一个爱因斯坦半径,每个分支保留四个不同起点。JSON 沿用的内部名称 point 指单点质量,恒星仍有大小;真正零半径恒星由第二条命令单独拟合。

在固定的308个测量上,有限光源单透镜给出χ2≃749.9\chi^2\simeq749.9,找到的最佳有限光源宽双透镜约为χ2≃219.0\chi^2\simeq219.0,近分支约为χ2≃323.3\chi^2\simeq323.3。另做的零半径双透镜搜索,宽分支约575.1,近分支约335.6。这是在相同测量与误差下的模型比较,没有直接给出探测概率。

一些起点停在远差于最佳值的地方。它们的终止状态、触及的边界和计算次数都保留下来。优化器返回成功,只说明满足了局部停止条件;没有证明搜遍分离的焦散解。计算次数用完,也不能写成已经收敛。

有限光源宽解的伴星与主星质量比约0.000056,归一化光源半径约0.0181。这些无量纲量依赖当前子集与模型。下表把输出取到合适精度,避免把程序能打印的小数位误读成新的精密测量。

同一批308个测量上的模型χ2\chi^2
单点质量,固定有限星盘749.9
宽双透镜,有限星盘219.0
近双透镜,有限星盘323.3
宽双透镜,零半径光源575.1
近双透镜,零半径光源335.6
宽双透镜,年度视差216.9
近双透镜,扩展视差搜索盒238.3
自有有限搜索找到的最佳值:原误差不变,五个台站的零点与光源比例分别剖面化。单透镜的星盘半径固定,双透镜的半径参与拟合。局部拟合比较没有给出质量后验或全局探测概率。
∣πE∣|\boldsymbol\pi_E|χ2−min⁡χ2\chi^2-\min\chi^2
02.10
0.21.13
0.50.23
10.00
20.12
50.73
102.38
正冲量宽分支的幅度剖面,包含重新搜好的幅度五状态。其余透镜参数、视差方向和台站参数全部重新优化。每一行只是有限搜索找到的值,把点连起来也不能建立中间区域的置信覆盖率。

对应阅读:Beaulieu et al. (2006), OGLE-2005-BLG-390 discovery, astro-ph/0601563v1 · Bozza et al. (2018), VBBinaryLensing finite-source methods

地球的运动真的测出来了吗

                    python fit_parallax.py --materials . --baseline-results fresh-fit/fit-history.json --output fresh-parallax
                  

年度视差增加南北、东西两个轨迹参数。材料保留固定的 JPL DE441 地球几何矢量响应:161个间隔六小时的 TDB 节点,含位置与速度。程序用三次 Hermite 插值,扣去固定参考历元的位置和匀速项,再投影到光源方向的切平面。

这份几何输入有自己的 TDB 历元,却没有替无表头的测光补出时标。我们保留这种区别,并检验地球历元的小幅整体偏移。缺少原观测元数据时,不能凭空做一次声称精确的重心时标转换。

正、负冲量参数都重新拟合后,宽解达到χ2≃216.87\chi^2\simeq216.87,比无视差宽解只改善约2.13。有限搜索得到的视差幅度剖面中,零视差与幅度为十的解也只比最低点高几个拟合单位。这批子集不足以给出稳健的年度视差质量测量。

近分支的年度视差搜索先顶到了初始幅度边界。扩展搜索盒,再继续原先计算次数耗尽的解,可以找到拟合量约239.0、视差极大的近解,仍差于宽解。把这段过程留下,是因为若停在第一道边界,就会把近分支排除得比实际搜索更坚决。

计算到光变拟合为止;银河系群体、光源角半径与事件率的先验推断留在后续。发现论文另加了一层物理推断,行星质量还需要这层信息,单有本练习测出的持续时间不够。

对应阅读:JPL Horizons vector ephemeris documentation · Beaulieu et al. (2006), OGLE-2005-BLG-390 discovery, astro-ph/0601563v1

连剖面的坏起点也一起读

                    python profile_event.py --materials . --baseline-results fresh-fit/fit-history.json --parallax-results fresh-parallax/parallax-history.json --output fresh-profiles
python refine_profiles.py --materials . --profiles fresh-profiles/profile-history.json --output refined-profiles
                  

质量比剖面固定质量比,重新优化其余透镜参数与全部台站参数;视差幅度剖面还会重新拟合方向。它们只是正冲量宽分支上的有限搜索,不是后验密度,也不是已经校准覆盖率的置信区间。

剖面上一个高点,可能是搜索没做好,未必是该物理取值被排除。第一次计算中,视差幅度为五的起点掉进了差得多的盆地;细化阶段改用相邻剖面解作为起点,原坏解另行保留。低质量比端点也经历了继续计算,才满足局部终止条件。

画区间前先看完整尝试记录。从几个近邻点反复运行同一个优化器,不能证明全局最优;不过,只要找到了足够低的替代解,就能看出一个声称很紧的上限缺乏支持。

对应阅读:Bozza et al. (2018), VBBinaryLensing finite-source methods · Bozza et al., VBMicroLensing, arXiv:2410.13660v1; A&A 694 A219 (2025)

先核对数值的光,再读细小差别

快速轮廓程序也不会自动成为独立真值。开发时,一个直接临边昏暗参考调用,曾在低质量比焦散状态下与像面积法不符。我们保留这个分歧,另用细化的均匀光源轮廓组成正权环带积分;随阶数增加,它与逆像平面积分趋于一致。

对真实事件,有限光源宽解、近解、宽视差解和大视差近解的全部308个预测,都与独立逆像面积计算逐一比较;扰动附近及分散历元还加做正权环带检查。材料包保留聚合数值诊断。浮点几何包络没有采用严格的向外舍入,不能称为形式化区间证书。

空间包络、求积估计、时间平均、显示像元,需要分开验证。交互 Lab 的成像和流量来自同一套面积加权辐亮度;显示取平方根增强暗像,导出的辐亮度仍为线性值。真实事件拟合使用独立的离线参考,而且在更小的质量比和恒星半径上另做了检验。

对应阅读:Bozza et al. (2018), VBBinaryLensing finite-source methods · Bozza et al., VBMicroLensing, arXiv:2410.13660v1; A&A 694 A219 (2025)

把文件没告诉我们的量改一改

固定最佳宽解几何,只重拟合台站参数,把 MOA 临边系数从 I 类换成 R 类,源星等预测最多改变约0.00188,拟合量改变−0.152。若假设所有台站都曝光三十分钟,分别约为0.000689和+0.0276。真实曝光时长未知,这些是条件敏感性探针,不是对缺失元数据的补写。

对最佳宽视差几何,把六小时间隔地球节点换成十二小时,拟合量改变约0.000000013;将地球历元连同参考历元整体平移正负0.007天,改变小于0.000029。这说明这些特定数值选择在当前解附近影响很小,没有证明所有时标系统误差或未建模观测效应都可忽略。

现在可以比“曲线看起来不错”说得更具体:在这个公开子集上,有限光源行星模型明显优于所测试的平滑模型与零半径替代模型。这个结论限于当前子集与有限搜索。恢复完整原始归约、遍历所有双透镜解、校准探测显著性和独立推断行星物理质量,还各有后续工作。

对应阅读:OGLE published OGLE-2005-BLG-390 project files · Beaulieu et al. (2006), OGLE-2005-BLG-390 discovery, astro-ph/0601563v1 · JPL Horizons vector ephemeris documentation

练习与解释性答案

  1. 比较近宽分支时,为什么必须使用相同的星等似然与台站处理?

    展开解释

    比较应反映透镜预测的差别。如果误差、零点规则或允许的混光范围不同,统计问题已经变了,可能凭空制造与双透镜几何无关的偏好。

  2. 视差优化器返回许多小数位,怎样才足以把这个数当成测量?

    展开解释

    要检查幅度与方向的似然、竞争几何、混光和时标假设、边界行为,以及独立数值精度。一个优化器坐标没有提供这些不确定性或唯一性证据。

动手检验预测

拟合前,先分清恒星大小与前景光

  1. 选行星带来的增亮,在小扰动附近暂停。固定路径,增大恒星半径。
  2. 恢复半径,再降低背景恒星的基线光占比。比较星盘平滑与恒定前景光稀释,再指出拟合中的各个台站参数对应哪种效应。

公开独立复算材料

ZIP 包含独立科学代码、合成示例、聚合拟合结果和精确的原站下载清单。运行下载器时,五份原始测光与固定版本的 LGPL 参考库分别从具名原站获取,包里没有镜像这些文件。

下载完整独立复算 ZIP

SHA-256: e3957a90ca1f8e9c64a9c9c1bf70a6067ffe7aa395f44ce7715ebd461b52bc88

逐项科学文件校验值也保存在 package-manifest.json 中。

来源与计算范围

  1. Beaulieu et al. (2006), OGLE-2005-BLG-390 discovery, astro-ph/0601563v1

    核读正文、表一与图一:有限星盘下的行星扰动、临边昏暗系数、原文的650个点及依赖银河系模型的物理质量。本教程独立重算的五文件子集有308个点。

  2. Bozza et al. (2018), VBBinaryLensing finite-source methods

    第二至四节及式14–20、25–26讨论轮廓面积、误差细化和径向亮度分布。固定版本LGPL代码只作为另行下载的离线参考。

  3. Bozza et al., VBMicroLensing, arXiv:2410.13660v1; A&A 694 A219 (2025)

    先读式1–16和第六节,再判断双透镜的根、奇偶性、临界曲线与漏掉的像对。这里核读方法,没有复现其整套性能基准。

  4. OGLE published OGLE-2005-BLG-390 project files

    observation-sources.json列明五个固定测光网址。教程从作者项目原站下载,并验证字节数与SHA256。尚未找到明确的再分发许可,本站不镜像这些数据。

  5. JPL Horizons vector ephemeris documentation

    练习保留固定的161节点DE441地球几何ICRF矢量:位置为天文单位、速度为天文单位每天,历元为TDB。无文件头的测光仍另行保留时标说明。

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