薇拉·魯賓天文臺將發現二元超大質量黑洞
這張圖片來自兩個合并黑洞的薇拉模擬。即將建成的魯賓量黑薇拉·魯賓天文臺應該能夠在雙星合并之前探測到它們。但是天文臺令人煩惱的假陽性問題需要一個解決方案。鳴謝:uux.cn/模擬極端時空(SXS)項目
（神秘的發現地球uux.cn）據《今日宇宙》（埃文·高夫）：當星系合并時，我們預計它們會產生二元黑洞(BBHs。元超bbh相互緊密環繞，大質洞當它們合并時，薇拉產生的魯賓量黑引力波已經被Virgo處女座探測到。即將到來的天文臺薇拉·魯賓天文臺應該能夠在它們合并之前找到它們，這將為星系合并、發現超大質量黑洞、元超二元黑洞和引力波的大質洞研究打開一個全新的窗口。
據研究人員所知，薇拉像我們這樣的魯賓量黑大型星系中心有一個超大質量黑洞(SMBH)。當星系合并時，天文臺SMBHs彼此進入一個緊密的軌道，成為一個二元黑洞(BBH。)最終，它們合并，這些合并產生了最強大的引力波。
薇拉·魯賓天文臺(VRO)將進行一項大規模、多年的時域調查，反復拍攝天空圖像，尋找變化。它叫做LSST:空間和時間的遺產調查。它將探測從小行星到超新星爆炸的一切。但是新的研究表明VRO也可以探測二元黑洞。
這篇論文的題目是“來自魯賓天文臺時域監測的二元超大質量黑洞的可靠識別”它已經提交給《天體物理學雜志》,目前正在arXiv服務器上預印。主要作者是康涅狄格大學物理系的梅根·戴維斯。
“類星體時域觀測中的周期信號已被用于搜索二元超大質量黑洞，”作者寫道。搜索產生了數百個候選bbh，但問題是假陽性率很高，高達60%。這對于產生有用的數據來說太高了。研究人員能想出如何將這一比率降低到更容易控制的水平嗎？
在智利Cerro Pachón山脊清澈的藍天下，Vera C. Rubin天文臺的建設仍在繼續。這臺8.4米的望遠鏡配備了一臺3.2千兆像素的相機，這是世界上有史以來為光學天文學制造的最大的數碼相機，預計將在2024年底首次亮相。它將對光學天空進行一項前所未有的長達十年的調查，稱為空間和時間遺產調查(LSST)。新的研究顯示了LSST如何成功地探測二元黑洞，這是一項因假陽性而變得復雜的困難任務。鳴謝:uux.cn/noir lab/薇拉·魯賓天文臺
作者說他們正在取得進展。
類星體是活躍星系核(AGN)的一個子類，比其他AGN更明亮。AGN就是我們所說的SMBHs，它們積極地吸積物質并發光。問題是類星體在吸積物質時會發生變化。這種可變性掩蓋了BBH的振幅，導致假陽性。
“由于類星體吸積的可變性，二進制振幅被高估，三分之二的潛在二進制振幅恢復不佳，”作者寫道。
現代天文學是由數據主導的，而不是觀測技能。研究人員表示，假陽性問題的答案在于數據和計算。
“魯賓的LSST是我們利用電磁觀測識別二進制SMBHs的最佳機會，也將我們進一步推向大數據時代，因為據預測，它每晚將產生超過20tb的數據，”研究人員在他們的論文中寫道。
如此巨大的數據量意味著LSST將不得不在數據到達時對其進行篩選，在搜索bbh時準備一種有效的方法要從模擬開始。在這項工作中，研究人員模擬了單個和雙類星體的數百萬個LSST深場光曲線。
研究人員在他們的論文中寫道:“我們的目標是為魯賓的LSST深鉆場(DDFs)創建類星體的真實光曲線，包括孤立(單SMBH)和雙星系統。”DDFs獨立于VRO將要進行的大型調查。它們是密集的觀測，提供了更深的覆蓋范圍和更頻繁的時間采樣。
類星體是復雜的物體，當它們是雙星時，復雜性會增加。科學家認為孤立類星體和雙星類星體都有可變的吸積盤。彼此靠近的雙星有一個環繞雙星的吸積盤。但是每個SMBH都有自己的迷你磁盤，這就使情況變得復雜了。為這些不同的排列生成逼真的光線曲線是作者研究的第一步。
一個活躍類星體的插圖。它們的光度和可變性會導致尋找二元黑洞時的誤報。貸方:uux.cn/ESO/M. Kornmesser
“我們的目標是模擬魯賓觀察到的類星體群體的廣泛和代表性范圍的光變曲線，”作者解釋說。
研究人員從類星體生成了超過360萬條魯賓/LSST光曲線，其中大量是針對雙星SMBHs的。當檢查和擬合所有這些曲線時，假陽性仍然是一個問題。“我們保守估計，超過40%的孤立的單個類星體將導致對簡單正弦擬合的二進制SMBH系統的假陽性檢測，”作者寫道。
他們還發現，大質量發光類星體比真正的雙星更有可能是假陽性。
“我們建議在使用正弦曲線擬合進行二進制SMBH探測時要謹慎，”研究人員總結道。
區分類星體和BBHs并不容易。大自然不會舉著牌子告訴我們哪個是哪個。但是大自然確實提供了線索，盡管在這種情況下，它們是糾纏在一起的，很難辨別。這項工作顯示了哪種類型的類星體光變曲線最有可能產生假陽性，這是朝著解決這個問題邁出的一大步。
研究人員還能夠將某些情況下的假陽性率從60%左右降低到40%左右。這是朝著正確方向邁出的重要一步，盡管這個問題還需要做更多的工作。
這顯示了深鉆井場將產生的一些模擬LSST光曲線。頂部面板顯示了一個單獨的孤立類星體的模擬光變曲線。下圖顯示了一個模擬的雙星的光變曲線。鳴謝:uux.cn/戴維斯等人2023
“這篇論文的目的是探索在魯賓/LSST·DDF觀測中，對于一個典型的類星體群體，雙星SMBHs的可探測性，”作者解釋說。下一步是使用不是從模擬而是從觀測到的類星體群體中產生的光變曲線。基于二進制SMBHs的引力波搜索也將是這項工作的一部分。
正弦曲線擬合會產生假陽性，但還有另一種擬合光變曲線數據的方法。它叫做DRW:阻尼隨機漫步。DRW是一種經濟的計算方法，可以幫助管理薇拉·魯賓天文臺將產生的大量數據。Davis和她的同事打算在未來用計算成本低廉的DRW擬合重新審視他們的分析。“這可能會導致更有效的假陽性分類，”他們總結道。
在其10年的運行中，LSST預計將探測到2000萬到1億個活躍的星系核。確定哪些是bbh意味著處理大量前所未有的數據。如果LSST每晚確實產生20tb的數據，那么處理所有這些數據以搜索bbh的任務將會非常艱巨。
研究人員尚未完全解決海量數據和數據中的假陽性這兩個問題，但他們已經取得了進展。
相關文章：