ASTRONOMÍA. El Observatorio Vera Rubin diseñado para encontrar agujeros negros binarios supermasivos

El Observatorio Vera Rubin diseñado para encontrar agujeros negros binarios supermasivos

 

Esta imagen proviene de una simulación de dos agujeros negros fusionándose. El próximo Observatorio Vera Rubin debería poder detectar agujeros negros binarios antes de que se fusionen. Pero el desconcertante problema de los falsos positivos necesita una solución. Imagen: Proyecto de simulación de tiempos espaciales extremos (SXS)

24 noviembre 2023.- Cuando las galaxias se fusionan, esperamos que produzcan agujeros negros binarios (BBH). Los BBH orbitan estrechamente entre sí y, cuando se fusionan, producen ondas gravitacionales que han sido detectadas por LIGO-Virgo. 

El próximo Observatorio Vera Rubin debería poder encontrarlos antes de que se fusionen, lo que abriría una ventana completamente nueva al estudio de las fusiones de galaxias, los agujeros negros supermasivos, los agujeros negros binarios y las ondas gravitacionales.

Por lo que los investigadores pueden decir, las galaxias grandes como la nuestra tienen un agujero negro supermasivo (SMBH) en su centro. Cuando las galaxias se fusionan, las SMBH entran en una órbita cercana entre sí, convirtiéndose en un agujero negro binario (BBH). Con el tiempo, se fusionan y estas fusiones producen las ondas gravitacionales más poderosas.

El Observatorio Vera Rubin (VRO) realizará 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 . Detectará de todo, desde asteroides hasta explosiones de supernovas. Pero una nueva investigación muestra cómo el VRO también puede detectar agujeros negros binarios.

Bajo el claro cielo azul de la cresta 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 fabricada para astronomía óptica, y se espera que vea su primera luz a finales de 2024. Llevará a cabo un estudio sin precedentes que durará una década el cielo óptico llamado 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. Imagen: NOIRLab/Observatorio Vera Rubin.

El nuevo artículo se titula “ Identificación confiable de agujeros negros supermasivos binarios a partir del monitoreo en el dominio del tiempo del Observatorio Rubin”, se envió a The Astrophysical Journal y actualmente se encuentra en preimpresión. La autora principal es Megan Davis del Departamento de Física de la Universidad de Connecticut.

"Se han utilizado firmas periódicas en observaciones de cuásares en el dominio del tiempo para buscar agujeros negros binarios supermasivos", escriben los autores. Las búsquedas han producido varios cientos de BBH candidatos, pero el problema es la alta tasa de falsos positivos, de hasta el 60%. Eso es demasiado alto para producir datos útiles. ¿Pueden los investigadores descubrir cómo reducir esa tasa a algo más manejable?

Los autores dicen que están logrando avances.

Los cuásares son una subclase de núcleos galácticos activos (AGN) que son más luminosos que otros AGN. Los AGN son lo que llamamos SMBH que acumulan material activamente y emiten luz. El problema es que los cuásares pueden ser variables a medida que acumulan material. Esa variabilidad enmascara la amplitud de un BBH, lo que genera 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", escriben los autores.


Ilustración de un cuásar activo. Su luminosidad y variabilidad pueden dar lugar a falsos positivos en la búsqueda de agujeros negros binarios. Fuente: ESO/M. Kornmesser

La astronomía moderna está dominada por los datos, no por las habilidades de observación. Los investigadores dicen que la respuesta al problema de los falsos positivos radica en los datos y la computación. "El LSST de Rubin, nuestra mejor oportunidad para identificar SMBH binarios con observaciones electromagnéticas, también nos empuja hacia la era del big data, ya que se predice que producirá más de 20 terabytes de datos por noche", escriben los investigadores en su artículo.

Esa enorme cantidad de datos significa que el LSST tendrá que clasificar los datos a medida que lleguen, y la preparación de un método eficaz para hacerlo en la búsqueda de BBH comienza con simulaciones. En este trabajo, los investigadores simularon millones de curvas de luz de campo profundo del LSST para cuásares simples y binarios.

"Nuestro objetivo es crear curvas de luz realistas de cuásares, tanto sistemas aislados (SMBH simple) como binarios, para los campos de perforación profunda (DDF) LSST de Rubin", escriben los investigadores en su artículo. Los DDF son independientes de la gran encuesta que realizará el VRO. Son observaciones intensas que proporcionan una cobertura más profunda y un muestreo temporal más frecuente.

Los cuásares son objetos complejos y la complejidad aumenta cuando son binariosLos científicos creen que tanto los cuásares aislados como los binarios tienen discos de acreción variables. Los binarios que están cerca unos de otros tienen un disco de acreción circumbinario. Pero cada SMBH individual tiene su propio minidisco, lo que complica el panorama. Generar curvas de luz realistas para estas diferentes disposiciones es el primer paso en la investigación de los autores.

"Nuestro objetivo es simular curvas de luz para una gama amplia y representativa de la población de cuásares que Rubin observará", explican los autores.

Esta figura de la investigación muestra algunas de las curvas de luz LSST simuladas que producirán los campos de perforación profunda. El panel superior muestra una curva de luz simulada para un único cuásar aislado. El panel inferior muestra una curva de luz simulada para un cuásar binario. Imagen: Davis et al. 2023.

Los investigadores generaron más de 3,6 millones de curvas de luz Rubin/LSST a partir de cuásares, y un gran número de ellas fueron para SMBH binarios. Al examinar y ajustar todas esas curvas, los falsos positivos siguieron siendo un problema. "Estimamos de manera conservadora que más del 40% de los cuásares individuales aislados darán como resultado una detección falsa positiva de un sistema binario SMBH con un ajuste sinusoidal simple ", escriben los autores.

También descubrieron que es más probable que los cuásares masivos y luminosos sean un falso positivo que un binario real.

Diferenciar entre cuásares y BBH no es fácil. La naturaleza no muestra ningún cartel que nos diga cuál es cuál. Pero la naturaleza sí proporciona pistas, aunque en este caso están enredadas y son 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 desde alrededor del 60% hasta alrededor del 40%. Este es un paso importante en la dirección correcta, aunque el problema aún necesita más trabajo.

"El propósito de este artículo era explorar la detectabilidad de SMBH binarios para una
población de cuásar representativa 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. Las búsquedas de ondas gravitacionales basadas en SMBH binarios también serán parte del esfuerzo.

Los ajustes sinusoidales producen falsos positivos, pero también hay otra forma de ajustar los datos de la curva de luz. Se llama DRW: Damped Random Walk . DRW es un método computacional económico que podría 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 con ajustes DRW computacionalmente económicos en el futuro. "Esto
podría dar lugar a una clasificación más eficaz de los falsos positivos", concluyen.

En sus diez años de funcionamiento, se espera que el LSST detecte entre 20 y 100 millones de núcleos galácticos activos. Determinar cuáles son BBH significa trabajar con una cantidad enorme y sin precedentes de datos. Si el LSST produce 20 terabytes de datos por noche, entonces la tarea de analizar todos esos datos en busca de BBH adquiere proporciones monumentales.

Los investigadores no han resuelto completamente el problema de dos cabezas de cantidades masivas de datos y falsos positivos que pueblan los datos, pero han logrado los primeros avances.

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La Crónica del Henares: ASTRONOMÍA. El Observatorio Vera Rubin diseñado para encontrar agujeros negros binarios supermasivos
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