薇拉·鲁宾天文台将发现二元超大质量黑洞

这张图片来自两个合并黑洞的模拟。即将建成的薇拉·鲁宾天文台应该能够在双星合并之前探测到它们。但是令人烦恼的假阳性问题需要一个解决方案。鸣谢:模拟极端时空(SXS)项目

（蜘蛛网eeook.com）据《今日宇宙》（埃文·高夫）：当星系合并时，我们预计它们会产生二元黑洞(BBHs。bbh相互紧密环绕，当它们合并时，产生的引力波已经被Virgo处女座探测到。即将到来的薇拉·鲁宾天文台应该能够在它们合并之前找到它们，这将为星系合并、超大质量黑洞、二元黑洞和引力波的研究打开一个全新的窗口。

据研究人员所知，像我们这样的大型星系中心有一个超大质量黑洞(SMBH)。当星系合并时，SMBHs彼此进入一个紧密的轨道，成为一个二元黑洞(BBH。)最终，它们合并，这些合并产生了最强大的引力波。

薇拉·鲁宾天文台(VRO)将进行一项大规模、多年的时域调查，反复拍摄天空图像，寻找变化。它叫做LSST:空间和时间的遗产调查。它将探测从小行星到超新星爆炸的一切。但是新的研究表明VRO也可以探测二元黑洞。

这篇论文的题目是“来自鲁宾天文台时域监测的二元超大质量黑洞的可靠识别”它已经提交给《天体物理学杂志》,目前正在arXiv服务器上预印。主要作者是康涅狄格大学物理系的梅根·戴维斯。

“类星体时域观测中的周期信号已被用于搜索二元超大质量黑洞，”作者写道。搜索产生了数百个候选bbh，但问题是假阳性率很高，高达60%。这对于产生有用的数据来说太高了。研究人员能想出如何将这一比率降低到更容易控制的水平吗？

在智利Cerro Pachón山脊清澈的蓝天下，Vera C. Rubin天文台的建设仍在继续。这台8.4米的望远镜配备了一台3.2千兆像素的相机，这是世界上有史以来为光学天文学制造的最大的数码相机，预计将在2024年底首次亮相。它将对光学天空进行一项前所未有的长达十年的调查，称为空间和时间遗产调查(LSST)。新的研究显示了LSST如何成功地探测二元黑洞，这是一项因假阳性而变得复杂的困难任务。鸣谢:noir lab/薇拉·鲁宾天文台

作者说他们正在取得进展。

类星体是活跃星系核(AGN)的一个子类，比其他AGN更明亮。AGN就是我们所说的SMBHs，它们积极地吸积物质并发光。问题是类星体在吸积物质时会发生变化。这种可变性掩盖了BBH的振幅，导致假阳性。

“由于类星体吸积的可变性，二进制振幅被高估，三分之二的潜在二进制振幅恢复不佳，”作者写道。

现代天文学是由数据主导的，而不是观测技能。研究人员表示，假阳性问题的答案在于数据和计算。

“鲁宾的LSST是我们利用电磁观测识别二进制SMBHs的最佳机会，也将我们进一步推向大数据时代，因为据预测，它每晚将产生超过20tb的数据，”研究人员在他们的论文中写道。

如此巨大的数据量意味着LSST将不得不在数据到达时对其进行筛选，在搜索bbh时准备一种有效的方法要从模拟开始。在这项工作中，研究人员模拟了单个和双类星体的数百万个LSST深场光曲线。

研究人员在他们的论文中写道:“我们的目标是为鲁宾的LSST深钻场(DDFs)创建类星体的真实光曲线，包括孤立(单SMBH)和双星系统。”DDFs独立于VRO将要进行的大型调查。它们是密集的观测，提供了更深的覆盖范围和更频繁的时间采样。

类星体是复杂的物体，当它们是双星时，复杂性会增加。科学家认为孤立类星体和双星类星体都有可变的吸积盘。彼此靠近的双星有一个环绕双星的吸积盘。但是每个SMBH都有自己的迷你磁盘，这就使情况变得复杂了。为这些不同的排列生成逼真的光线曲线是作者研究的第一步。

一个活跃类星体的插图。它们的光度和可变性会导致寻找二元黑洞时的误报。贷方:ESO/M. Kornmesser

“我们的目标是模拟鲁宾观察到的类星体群体的广泛和代表性范围的光变曲线，”作者解释说。

研究人员从类星体生成了超过360万条鲁宾/LSST光曲线，其中大量是针对双星SMBHs的。当检查和拟合所有这些曲线时，假阳性仍然是一个问题。“我们保守估计，超过40%的孤立的单个类星体将导致对简单正弦拟合的二进制SMBH系统的假阳性检测，”作者写道。

他们还发现，大质量发光类星体比真正的双星更有可能是假阳性。

“我们建议在使用正弦曲线拟合进行二进制SMBH探测时要谨慎，”研究人员总结道。

区分类星体和BBHs并不容易。大自然不会举着牌子告诉我们哪个是哪个。但是大自然确实提供了线索，尽管在这种情况下，它们是纠缠在一起的，很难辨别。这项工作显示了哪种类型的类星体光变曲线最有可能产生假阳性，这是朝着解决这个问题迈出的一大步。

研究人员还能够将某些情况下的假阳性率从60%左右降低到40%左右。这是朝着正确方向迈出的重要一步，尽管这个问题还需要做更多的工作。

这显示了深钻井场将产生的一些模拟LSST光曲线。顶部面板显示了一个单独的孤立类星体的模拟光变曲线。下图显示了一个模拟的双星的光变曲线。鸣谢:戴维斯等人2023

“这篇论文的目的是探索在鲁宾/LSST·DDF观测中，对于一个典型的类星体群体，双星SMBHs的可探测性，”作者解释说。下一步是使用不是从模拟而是从观测到的类星体群体中产生的光变曲线。基于二进制SMBHs的引力波搜索也将是这项工作的一部分。

正弦曲线拟合会产生假阳性，但还有另一种拟合光变曲线数据的方法。它叫做DRW:阻尼随机漫步。DRW是一种经济的计算方法，可以帮助管理薇拉·鲁宾天文台将产生的大量数据。Davis和她的同事打算在未来用计算成本低廉的DRW拟合重新审视他们的分析。“这可能会导致更有效的假阳性分类，”他们总结道。

在其10年的运行中，LSST预计将探测到2000万到1亿个活跃的星系核。确定哪些是bbh意味着处理大量前所未有的数据。如果LSST每晚确实产生20tb的数据，那么处理所有这些数据以搜索bbh的任务将会非常艰巨。

研究人员尚未完全解决海量数据和数据中的假阳性这两个问题，但他们已经取得了进展。