Microlensing: Elegant Tool for Astronomy and Physics

Andy Gould (Ohio State)

Outline● Brief History of Microlensing● Dark Matter● Precision Mass Measurements of Dark Objects● (Resolution of Stars on nano­arcsecond scales)● Planets

Generation 1● Liebes 1964, Phys Rev, 133, B835

● Many practical examples, including planets● Refsdal 1964, MNRAS, 128, 259

● Mass measurement of Isolated Star             ● Refsdal 1966, MNRAS, 134, 315

● Space­Based Parallaxes                              ● Paczynski 1986, ApJ, 304, 1

● Proposed First Practical Experiment          

Generation 0● Eddington 1920, Space, Time, and Gravitation● Chwolson 1924, Astron. Nachr. 221, 329

● Einstein 1936a, Science, 84, 506                              “Some time ago R.W. Mandl paid me a visit and asked me to publish the results of a little calculation, which I had made at his request .... there is no great chance of observing this phenomenon.”

● Einstein 1936b (private letter to Science editor)        “Let me also thank you for your cooperation with the little publication, which Mister Mandl squeezed out of me.  It is of little value, but it makes the poor guy happy.”

Generation ­1: Einstein (1912)[Renn, Sauer, Stachel 1997, Science 275, 184]

Origin of First Microlensing Experiments● Alcock Seminar (Berkeley 1989)

● Bennett, Griest, Stubbs, etc ==> MACHO ● Rich (telephones Spiro)       ==> EROS    

● Paczynski contacts● Carnegie (Preston)                                    ● Warsaw (Udalski etc)          ==> OGLE  

● Secret History of Alcock Seminar● Bennett moves from Princeton to Livermore  ● Connects B.P. lensing with C.A. KBO search

Burst of Observational Results

● 1993: First lensing event     MACHO LMC­1

●

● 1993: First bulge event      OGLE #1

●

● 1993: First binary event    OGLE #7

● .

Many Effects Predicted by Theory

● Binaries/Planets             (Mao & Paczynski 1991)

●

●  Parallax            (Gould 1992)

●

● Finite Source               (Witt & Mao 1994)

● .

... Burst Continues ...

● 1995: First Parallax    MACHO BLG 104C

●

● 1997: First Finite Source MACHO Alert 95­30

● .

Microlensing and Dark Matter

CMD of MACHO Events(Alcock et al. 2000, ApJ 542 281)

Contours: Halo Fraction vs Macho Mass

Optical Depth vs Selection SeverityImpact Parameter             S/N Ratio

But ... EROS finds few events ... and only upper limits!

... and some “second bumps” that eliminate formerly “good events”

Tisserand & Milsztajn (Astroph/0501584)

To Probe Higher MACHO Masses:Use Wide Binaries

To Probe Higher MACHO Masses:Use Wide Binaries

Chaname & Gould 2004, ApJ 601 289

Big MACHOs       But the observedwould destroy the   halo binaries are awidest binaries        perfect power­law

Big MACHOs         Halo­binaryruled out by poor   limits complement

fit to power law        microlensing 

Yoo, Chaname & Gould 2004, ApJ 601 311

To Determine Lens Nature: SIM

MACHO­LMC­5Microlens Mass of an Isolated Star

Step 1: HST images lens and source

Alcock et al. 2001, Nature 414 617

Step 3:Measure microlens parallax from lightcurve.(+ Einstein radius)==> Mass and Distance

Step 4: Discover 'Jerk­Parallax' Degeneracy

Gould 2004, ApJ 2004 606 319

Implies that very different trajectories  can generate the same lightcurve.

Step 5: Get New ACS Images

Drake, Cook, & Keller 2004, ApJ 607  L29

Step 6: Redo microlens parallax 

measurement

... to derive more precise mass and distance

Gould, Bennett & Alves 2004, ApJ 614 404

... or, more immediately: Spitzer

From a paper written 8 years ago ...

OGLE­2005­SMC­001   CMD                    Photometry

Spitzer Obs

Nature's CurveballBinary­lens Fit            Single­lens Fit

Subo Dong

HALO favored over SMC

How Microlensing Finds Planets

First Microlens Planet:OGLE­2000­BLG­235/MOA­2000­BLG­53

How Do We Know It's a Planet?

Bond et al. 2004ApJ 606 L155

2nd Microlensing Planet

The New Zealand ConnectionGrant, Ian, Jennie, Phil

Amateurs + Professionals  "It just shows that you can be a mother,   you can work full­time, and you can  still go out there and find planets."

     Jennie McCormick  (Amateur Astronomer, Auckland, New Zealand)

OGLE­2005­BLG­169:COLD NEPTUNE in Hi­Mag Event

Deokkeun An

HOW DO WE KNOW IT'S A PLANET?

● 7 model parameters t0,u0,tE,b,q,alpha,rho

● 7 pronounced features  ● ­­>3 from full curve 

(height, width, center)● ­­>4 from perturbation 

(2 kink times, height    and width of bump)

Planet Distribution:The Conventional View

Equilibrium Temperature:The Unconventional View

Conclusions● MACHO Dark Matter 

constrained to 20% of less● Planets now being discovered 

with microlensing● First mass measurement of an 

isolated star