Мы ожидаем, что когда галактики сливаются, они производят двойные черные дыры (ЧДД). ЧДД вращаются близко друг к другу, и когда они сливаются, они производят гравитационные волны, которые были обнаружены LIGO-Virgo. Будущая обсерватория Веры Рубин должна быть в состоянии найти их до того, как они сольются, что откроет совершенно новое окно в изучении слияний галактик, сверхмассивных черных дыр, двойных черных дыр и гравитационных волн.
Насколько могут судить исследователи, в центрах крупных галактик, подобных нашей, есть сверхмассивная черная дыра (СМЧД). Когда галактики сливаются, сверхмассивные черные дыры выходят на близкую орбиту друг к другу, становясь двойной черной дырой (BBH). В конце концов они сливаются, и эти слияния производят самые мощные гравитационные волны.
Обсерватория Веры Рубин (VRO) проведет масштабное многолетнее исследование во временной области, которое будет неоднократно отображать небо в поисках изменений. Он называется LSST: «Наследие обзора пространства и времени». Он обнаружит все: от астероидов до взрывов сверхновых. Но новое исследование показывает, что VRO может также обнаруживать двойные черные дыры.
Новая статья называется «Надежная идентификация бинарных сверхмассивных черных дыр по данным мониторинга во временной области обсерватории Рубин». Он был отправлен в Астрофизический журнал и в настоящее время находится в предварительной печати. Ведущий автор — Меган Дэвис с факультета физики Университета Коннектикута.
«Периодические сигнатуры во временных наблюдениях квазаров использовались для поиска двойных
сверхмассивные черные дыры», — пишут авторы. В результате поисков было обнаружено несколько сотен кандидатов на BBH, но проблема заключается в высоком уровне ложноположительных результатов, достигающем 60%. Это слишком много для получения полезных данных. Смогут ли исследователи придумать, как снизить этот показатель до более управляемого уровня?
Авторы говорят, что они добиваются прогресса.
Квазары — это подкласс активных галактических ядер (АЯГ), которые более ярки, чем другие АЯГ. АЯГ — это то, что мы называем СМЧД, которые активно аккрецируют материал и излучают свет. Проблема в том, что квазары могут изменяться по мере накопления материала. Эта изменчивость маскирует амплитуду BBH, что приводит к ложноположительным результатам. «Двойная амплитуда завышена и плохо восстанавливается для двух третей потенциальных двойных систем из-за изменчивости аккреции квазаров», — пишут авторы.
В современной астрономии доминируют данные, а не навыки наблюдения. Исследователи говорят, что ответ на проблему ложных срабатываний заключается в данных и вычислениях. «LSST Рубина, наш лучший шанс идентифицировать двойные сверхмассивные черные дыры с помощью электромагнитных наблюдений, также подталкивает нас еще дальше в эпоху больших данных, поскольку прогнозируется, что он будет производить более 20 терабайт данных за ночь», — пишут исследователи в своей статье.
Такой огромный объем данных означает, что LSST придется сортировать данные по мере их поступления, и подготовка эффективного метода поиска ЧЧД начинается с моделирования. В этой работе исследователи смоделировали миллионы кривых блеска LSST Deep Field как для одиночных, так и для двойных квазаров.
«Наша цель — создать реалистичные кривые блеска квазаров, как изолированных (одиночная сверхмассивная чёрная дыра), так и двойных систем, для
Поля глубокого бурения (DDF) Рубина LSST», — пишут исследователи в своей статье. DDF отделены от большого исследования, которое будет проводить VRO. Это интенсивные наблюдения, которые обеспечивают более глубокий охват и более частую временную выборку.
Квазары — сложные объекты, и сложность возрастает, когда они являются двоичными. Ученые полагают, что как изолированные, так и двойные квазары имеют переменные аккреционные диски. Близкие друг к другу двойные системы имеют циркумбинарный аккреционный диск. Но у каждой отдельной сверхмассивной черной дыры есть свой мини-диск, что усложняет картину. Создание реалистичных кривых блеска для этих различных схем — первый шаг в исследованиях авторов.
«Наша цель — смоделировать кривые блеска для широкого и репрезентативного диапазона популяции квазаров, которые будет наблюдать Рубин», — объясняют авторы.
Исследователи создали более 3,6 миллионов кривых блеска Рубина/LSST от квазаров, и большое количество из них относилось к двойным сверхмассивным черным дырам. При проверке и подгонке всех этих кривых ложноположительные результаты оставались проблемой. «По консервативным оценкам, более 40% изолированных одиночных квазаров приведут к ложноположительному обнаружению двойной системы СМЧД с простой синусоидальной аппроксимацией», — пишут авторы.
Они также обнаружили, что массивные и светящиеся квазары с большей вероятностью будут ложноположительными, чем настоящая двойная система.
«Мы рекомендуем проявлять осторожность при использовании синусоидальных аппроксимаций для обнаружения бинарных СМЧД», — заключают исследователи.
Различить квазары и ЧД непросто. Природа не держит знаков, говорящих нам, что есть что. Но природа дает подсказки, хотя в данном случае они запутаны и их трудно различить. Эта работа показывает, какие типы кривых блеска квазаров с наибольшей вероятностью дают ложноположительные результаты, что является большим шагом на пути к решению проблемы.
Исследователи также смогли снизить количество ложноположительных результатов в некоторых случаях примерно с 60% до примерно 40%. Это важный шаг в правильном направлении, хотя проблема еще требует дополнительной работы.
«Цель этой статьи состояла в том, чтобы изучить возможность обнаружения двойных сверхмассивных черных дыр для репрезентативного квазара.
популяция в наблюдениях Rubin/LSST DDF», — поясняют авторы. Следующим шагом будет использование кривых блеска, полученных не в результате моделирования, а на основе наблюдаемой популяции квазаров. Частью усилий также станут поиски гравитационных волн на основе двойных сверхмассивных черных дыр.
Синусоидальные аппроксимации дают ложноположительные результаты, но есть и другой способ аппроксимации данных кривой блеска. Это называется DRW: Damped Random Walk. DRW — это экономичный вычислительный метод, который может помочь управлять огромным объемом данных, которые будет производить обсерватория Веры Рубин. Дэвис и ее коллеги намерены в будущем вернуться к своему анализу с помощью недорогих в вычислительном отношении подходов DRW. «Этот
может привести к более эффективной сортировке ложных срабатываний», — заключают они.
Ожидается, что за десять лет LSST обнаружит от 20 до 100 миллионов активных галактических ядер. Определить, какие из них являются BBH, значит проработать огромный, беспрецедентный объем данных. Если LSST действительно производит 20 терабайт данных за ночь, то задача обработки всех этих данных в поисках ЧЧД приобретает колоссальные масштабы.
Исследователи не полностью решили двуединую проблему огромных объемов данных и ложных срабатываний, заполняющих данные, но они добились прогресса.
