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Esta imagen proviene de una simulación de la fusión de dos agujeros negros. El próximo Observatorio Vera Rubin debería poder detectar agujeros negros binarios antes de que se fusionen. Pero es necesario resolver el espinoso problema de los falsos positivos. Fuente de la imagen: Proyecto de simulación de Extreme Spacetimes (SXS).
Cuando las galaxias se fusionan, esperamos que produzcan agujeros negros binarios (BBH). Los agujeros negros binarios orbitan entre sí estrechamente y, cuando se fusionan, producen las ondas gravitacionales detectadas por LIGO-Virgo. El próximo Observatorio Vera Rubin debería poder encontrarlos antes de que se fusionen, lo que abrirá una ventana completamente nueva para estudiar galaxias en fusión, agujeros negros supermasivos, agujeros negros binarios y ondas gravitacionales.
Por lo que saben los investigadores, las galaxias grandes como la nuestra contienen un agujero negro supermasivo (SMBH) en su centro. Cuando las galaxias se fusionan, las galaxias pequeñas y ultramasivas entran en órbita cercana entre sí, formando un agujero negro binario (BBH). Finalmente, se fusionan y esta fusión produce las ondas gravitacionales más poderosas.
El Observatorio Vera Rubin (VRO) llevará a cabo un estudio masivo de varios años en el dominio del tiempo, que tomará imágenes repetidas del cielo en busca de cambios. Se llama LSST: Legacy Survey of Space and Time. Descubrirá de todo, desde asteroides hasta explosiones de supernovas. Pero una nueva investigación muestra cómo VRO también puede detectar agujeros negros binarios.
El documento se titula “Identificación confiable de agujeros negros binarios supermasivos a través de observaciones en el dominio del tiempo del Observatorio Rubin.“Fue presentado a Diario astrofísico Actualmente se encuentra en preimpresión el arXiv Servidor. La autora principal es Megan Davis del Departamento de Física de la Universidad de Connecticut.
«Se han utilizado firmas periódicas en observaciones de quásares en el dominio del tiempo para buscar agujeros negros binarios supermasivos», escribieron los autores. Las búsquedas produjeron varios cientos de BBH candidatos, pero el problema es una alta tasa de falsos positivos, hasta el 60%. Este es un número demasiado alto para producir datos útiles. ¿Pueden los investigadores descubrir cómo reducir esta tasa a algo más manejable?
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Bajo el claro cielo azul de la cordillera de Cerro Pachón en Chile, continúa la construcción del Observatorio Vera C. Rubin. El telescopio de 8,4 metros está equipado con una cámara de 3,2 gigapíxeles, la cámara digital más grande del mundo jamás construida para astronomía óptica, y se espera que vea su primera luz a finales de 2024. Llevará a cabo un estudio sin precedentes del planeta Tierra durante una década. . El cielo óptico se llama Legacy Survey of Space and Time (LSST). Una nueva investigación muestra cómo el LSST puede detectar con éxito agujeros negros binarios, una tarea difícil y complicada por falsos positivos. Fuente: NOIRLab/Observatorio Vera Rubin
Los autores dicen que están logrando avances.
Los cuásares son una subclase de núcleos galácticos activos (AGN) que son más brillantes que otros AGN. Los AGN son lo que llamamos SMBH que acumulan materiales activamente y emiten luz. El problema es que los quásares pueden ser variables a medida que acumulan material. Esta discrepancia enmascara la amplitud de BBH, lo que genera resultados falsos positivos.
«La amplitud binaria está sobreestimada y mal recuperada en dos tercios de los binarios potenciales debido a la variabilidad de la acreción de cuásares», escribieron los autores.
La astronomía moderna está dominada por los datos, no por las habilidades de observación. La respuesta al problema de los falsos positivos reside en los datos y los cálculos, afirman los investigadores.
«El LSST de Robin, nuestra mejor oportunidad para identificar objetos binarios de tamaño pequeño y mediano mediante observaciones electromagnéticas, también nos empuja a la era del big data, cuando se espera que produzca más de 20 terabytes de datos por noche», escribieron los investigadores. en su periódico.
Esta enorme cantidad de datos significa que el equipo del LSST tendrá que clasificar los datos a medida que llegan, y preparar una manera eficiente de hacerlo en la búsqueda de BBH comienza con la simulación. En este trabajo, los investigadores simularon millones de curvas de luz de campo profundo LSST para cuásares simples y binarios.
«Nuestro objetivo es crear curvas de luz realistas para cuásares, ya sean sistemas aislados (SMBH) o binarios, para los campos de cráteres profundos (DDF) del LSST de Rubin», escribieron los investigadores en su artículo. Los DDF son independientes de la encuesta más amplia que llevará a cabo la VRO. Se trata de una retroalimentación extensa que proporciona una cobertura más profunda y un muestreo temporal más frecuente.
Los cuásares son objetos complejos y la complejidad aumenta cuando son binarios. Los científicos creen que tanto los quásares aislados como las estrellas binarias tienen discos de acreción variables. Los binarios muy juntos tienen un disco de acreción binario. Pero cada SMBH individual tiene su propio disco pequeño, lo que complica el panorama. Generar curvas de luz realistas para estas diferentes disposiciones es el primer paso en la investigación de los autores.
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Ilustración de un cuásar activo. Su brillo y volatilidad pueden dar lugar a falsos positivos en la búsqueda de agujeros negros binarios. Crédito: iso/m. Kornmesser
«Nuestro objetivo es simular las curvas de luz de una gama amplia y representativa de la población de cuásares que Rubin observará», explican los autores.
Los investigadores produjeron más de 3,6 millones de curvas de luz Rubin/LSST a partir de cuásares, un gran número de las cuales fueron asignadas al binario SMBH. Al examinar y ajustar todas estas curvas, los falsos positivos siguieron siendo un problema. «Estimamos de manera conservadora que más del 40% de los cuásares individuales aislados conducirían a una detección falsa positiva de un sistema binario SMBH con un ajuste sinusoidal simple», escribieron los autores.
También descubrieron que los cuásares masivos y luminosos tienen más probabilidades de ser falsos positivos que los verdaderos binarios.
«Recomendamos precaución al utilizar convulsiones sinusoidales para detectar SMBH bilateral», concluyeron los investigadores.
Distinguir entre cuásares y BBH no es fácil. La naturaleza no tiene una señal que nos diga cuál es cuál. Pero la naturaleza proporciona pistas, aunque en este caso sean confusas y difíciles de discernir. Este trabajo muestra qué tipo de curvas de luz de cuásar tienen más probabilidades de producir falsos positivos, lo cual es un gran paso para abordar el problema.
Los investigadores también pudieron reducir los falsos positivos en algunos casos de aproximadamente un 60% a aproximadamente un 40%. Este es un paso importante en la dirección correcta, aunque el problema aún necesita más trabajo.
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Esto muestra algunas de las curvas de luz LSST simuladas que se producirían en campos de perforación profundos. El panel superior muestra una curva de luz simulada de un único cuásar aislado. El panel inferior muestra una curva de luz simulada de un cuásar binario. Crédito: Davis et al. 2023
«El propósito de este artículo era explorar la posibilidad de detectar SMB binarios para una población representativa de cuásares en observaciones Rubin/LSST DDF», explican los autores. El siguiente paso es utilizar curvas de luz generadas no a partir de simulaciones sino a partir de la población de quásares observada. La búsqueda de ondas gravitacionales basadas en objetos binarios de tamaño pequeño y mediano también formará parte del esfuerzo.
Los ajustes sinusoidales producen falsos positivos, pero también existe otra forma de ajustar los datos de la curva de luz. Se llama DRW: Damped Random Walk. DRW es un método de cálculo económico que puede ayudar a gestionar la enorme cantidad de datos que producirá el Observatorio Vera Rubin. Davis y sus colegas tienen la intención de revisar su análisis utilizando formulaciones DRW computacionalmente económicas en el futuro. «Esto podría conducir a una detección más eficaz de los falsos positivos», concluyeron los investigadores.
Se espera que en el transcurso de 10 años, el LSST descubra entre 20 y 100 millones de núcleos galácticos activos. Determinar cuáles representan BBH significa trabajar con una cantidad enorme y sin precedentes de datos. Si el LSST produce 20 terabytes de datos por noche, la tarea de procesar todos esos datos en busca de BBH adquiere proporciones enormes.
Los investigadores no han resuelto completamente el doble problema de las cantidades masivas de datos y los falsos positivos que pueblan los datos, pero han logrado avances.
más información:
Megan C. Davis et al., Identificación confiable de agujeros negros binarios supermasivos a partir de observaciones en el dominio del tiempo del Observatorio Rubin, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2311.10851
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