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Constraints on the VHE counterpart of two binary black hole mergers observed by the MAGIC and CTAO LST-1 telescopes

本文报告了利用针对挑战性条件设计的专门分析方法，对 MAGIC 和 CTAO LST-1 望远镜观测到的两个双黑洞合并候选事件（GW240615_113620 和 GW241125_010116）中极高能伽马射线对应体的未探测结果，旨在通过这些结果来约束此类合并中电磁辐射的理论模型。

原作者： K. Abe, S. Abe, J. Abhir, A. Abhishek, V. A. Acciari, F. Acero, A. Aguasca-Cabot, I. Agudo, I. Albanese, D. Ambrosino, F. Ambrosino, T. Aniello, S. Ansoldi, L. A. Antonelli, C. Aramo, C. Arauner, A. AK. Abe, S. Abe, J. Abhir, A. Abhishek, V. A. Acciari, F. Acero, A. Aguasca-Cabot, I. Agudo, I. Albanese, D. Ambrosino, F. Ambrosino, T. Aniello, S. Ansoldi, L. A. Antonelli, C. Aramo, C. Arauner, A. Arbet-Engels, C. Arcaro, T. T. H. Arnesen, P. Aubert, A. Babić, C. Bakshi, A. Baktash, M. Balbo, A. Bamba, A. Baquero Larriva, U. Barres de Almeida, J. A. Barrio, L. Barrios Jiménez, I. Batkovic, J. Baxter, J. Becerra González, W. Bednarek, E. Bernardini, J. Bernete, A. Berti, J. Besenrieder, C. Bigongiari, A. Biland, E. Bissaldi, O. Blanch, Ž, . Bošnjak, G. Bonnoli, P. Bordas, L. Breton-Zaourat, A. Briscioli, E. Bronzini, G. Brunelli, J. Buces, A. Bulgarelli, I. Burelli, L. Burmistrov, C. Campa, A. Campoy-Ordaz, M. Cardillo, S. Caroff, A. Carosi, R. Carosi, R. Carraro, M. Carretero-Castrillo, F. Cassol, A. J. Castro-Tirado, D. Cerasole, G. Ceribella, A. Cerviño Cortínez, Y. Chai, A. Chiavassa, A. Chilingarian, G. Chon, L. Chytka, G. M. Cicciari, A. Cifuentes Santos, J. L. Contreras, J. Cortina, H. Costantini, S. Covino, M. Croisonnier, G. D'Amico, P. Da Vela, M. Dalchenko, F. Dazzi, A. De Angelis, M. de Bony de Lavergne, B. De Lotto, R. de Menezes, G. De Palma, V. de Souza, R. Del Burgo, L. Del Peral, M. Delfino, C. Delgado Mendez, J. Delgado Mengual, D. della Volpe, L. Di Bella, C. Di Domenico, A. Di Piano, F. Di Pierro, R. Di Tria, L. Di Venere, C. Díaz, A. Dinesh, E. Do Souto Espi\ neira, D. Dominis Prester, A. Donini, D. Dorner, M. Doro, L. Eisenberger, D. Elsässer, G. Emery, J. Escudero, L. Fari\ na, L. Feligioni, F. Ferrarotto, A. Fiasson, L. Foffano, L. Font, F. Frías García-Lago, Y. Fukazawa, S. Gallozzi, J. Garcia Garcia, R. J. García López, S. Garcia Soto, D. Gasparrini, S. Gasparyan, M. Gaug, J. G. Giesbrecht Paiva, N. Giglietto, F. Giordano, P. Gliwny, N. Godinovic, T. Gradetzke, R. Grau, J. Green, G. Grolleron, S. Gunji, P. Günther, D. Hadasch, A. Hahn, M. Hashizume, T. Hassan, K. Hayashi, L. Heckmann, M. Heller, J. Herrera Llorente, N. Hiroshima, D. Hoffmann, D. Horns, J. Houles, D. Hrupec, T. Inada, S. Inoue, K. Ioka, M. Iori, D. Israyelyan, A. Iuliano, J. Jahanvi, I. Jiménez Martínez, J. Jiménez Quiles I. Jorge Rodrigo, J. Jurysek, M. Kagaya, S. Kankkunen, V. Karas, H. Katagiri, T. Kayanoki, D. Kerszberg, M. Khachatryan, G. W. Kluge, Y. Kobayashi, K. Kohri, J. Konrad, P. Kornecki, P. M. Kouch, H. Kubo, J. Kushida, B. Lacave, M. Láinez, A. Lamastra, L. Lemoigne, E. Lindfors, M. Linhoff, S. Lombardi, F. Longo, R. López-Coto, M. López-Moya, A. López-Oramas, S. Loporchio, A. Lorini, J. Lozano Bahilo, F. Lucarelli, H. Luciani, L. Lulić, P. L. Luque-Escamilla, P. Majumdar, M. Makariev, M. Mallamaci, D. Mandat, G. Maneva, M. Manganaro, S. Mangano, D. K. Maniadakis, G. Manicò, K. Mannheim, F. Marini, M. Mariotti, G. Marsella, J. Martí, D. Martin, G. Martínez, M. Martínez, O. Martinez, P. Maruš, evec, M. Massa, D. Mazin, S. Menchiari, J. Méndez-Gallego, S. Menon, E. Mestre Guillen, D. Miceli, T. Miener, J. M. Miranda, J. M. Miranda, R. Mirzoyan, M. Mizuno, M. Molero Gonzalez, E. Molina, H. A. Mondal, T. Montaruli, A. Moralejo, S. Morales Sanchez De Lozada, K. Morita, A. Morselli, V. Moya, K. Mrakovčić, A. L. Müller, H. Muraishi, T. Nagata, S. Nagataki, T. Nakamori, C. Nanci, A. Negro, A. Neronov, V. Neustroev, D. Nieto Castaño, M. Nievas Rosillo, C. Nigro, L. Nikolić, K. Nilsson, K. Noda, V. Novotny, S. Nozaki, M. Ohishi, A. Okumura, R. Orito, L. Orsini, J. Otero-Santos, P. Ottanelli, S. Paiano, M. Palatiello, G. Panebianco, D. Paneque, R. Paoletti, J. M. Paredes, M. Pech, M. Pecimotika M. Peresano, F. Perrotta, M. Persic, F. Pfeifle, E. Pietropaolo, M. Pihet, G. Pirola, C. Plard, F. Podobnik, M. Polo, C. Pozo-Gonzaléz, P. G. Prada Moroni, E. Prandini, S. Rainò, R. Rando, W. Rhode, M. Ribó, J. Rico, V. Rizi, G. Rodriguez Fernandez, A. Roy, E. Ruiz-Velasco, N. Sahakyan, T. Saito, S. Sakurai, D. A. Sanchez, H. Sano, E. Santos Moura, T. Šarić, Y. Sato, F. G. Saturni, V. Savchenko, F. Schiavone, K. Schmitz, F. Schussler, T. Schweizer, M. Seglar Arroyo U. Sharma, T. Siegert, G. Silvestri, A. Simongini J. Sitarek, V. Sliusar, D. Sobczynska, I. Sofia, A. Stamerra, J. Strišković, D. Strom, M. Strzys, Y. Suda, A. Sunny, H. Tajima, M. Takahashi, R. Takeishi, S. J. Tanaka, J. Tartera Barberà, T. Tavernier, P. Temnikov, Y. Terada, K. Terauchi, T. Terzic, M. Teshima, M. Tluczykont, T. Tomura, D. F. Torres, F. Tramonti, P. Travnicek, G. Tripodo, A. Tutone, S. Ubach, M. Vacula, M. Vázquez Acosta, S. Ventura, G. Verna, I. Viale, A. Viana, A. Vigliano, C. F. Vigorito, E. Visentin, V. Vitale, M. Vorbrugg, G. Voutsinas, I. Vovk, T. Vuillaume, R. Walter, C. Walther, L. Wan, P. Witczak, F. Wersig, T. Yamamoto, R. Yamazaki, Y. Yao, P. K. H. Yeung, T. Yoshida, T. Yoshikoshi, W. Zhang

发布于 2026-07-23

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CC BY 4.0

原作者： K. Abe, S. Abe, J. Abhir, A. Abhishek, V. A. Acciari, F. Acero, A. Aguasca-Cabot, I. Agudo, I. Albanese, D. Ambrosino, F. Ambrosino, T. Aniello, S. Ansoldi, L. A. Antonelli, C. Aramo, C. Arauner, A. Arbet-Engels, C. Arcaro, T. T. H. Arnesen, P. Aubert, A. Babić, C. Bakshi, A. Baktash, M. Balbo, A. Bamba, A. Baquero Larriva, U. Barres de Almeida, J. A. Barrio, L. Barrios Jiménez, I. Batkovic, J. Baxter, J. Becerra González, W. Bednarek, E. Bernardini, J. Bernete, A. Berti, J. Besenrieder, C. Bigongiari, A. Biland, E. Bissaldi, O. Blanch, Ž, . Bošnjak, G. Bonnoli, P. Bordas, L. Breton-Zaourat, A. Briscioli, E. Bronzini, G. Brunelli, J. Buces, A. Bulgarelli, I. Burelli, L. Burmistrov, C. Campa, A. Campoy-Ordaz, M. Cardillo, S. Caroff, A. Carosi, R. Carosi, R. Carraro, M. Carretero-Castrillo, F. Cassol, A. J. Castro-Tirado, D. Cerasole, G. Ceribella, A. Cerviño Cortínez, Y. Chai, A. Chiavassa, A. Chilingarian, G. Chon, L. Chytka, G. M. Cicciari, A. Cifuentes Santos, J. L. Contreras, J. Cortina, H. Costantini, S. Covino, M. Croisonnier, G. D'Amico, P. Da Vela, M. Dalchenko, F. Dazzi, A. De Angelis, M. de Bony de Lavergne, B. De Lotto, R. de Menezes, G. De Palma, V. de Souza, R. Del Burgo, L. Del Peral, M. Delfino, C. Delgado Mendez, J. Delgado Mengual, D. della Volpe, L. Di Bella, C. Di Domenico, A. Di Piano, F. Di Pierro, R. Di Tria, L. Di Venere, C. Díaz, A. Dinesh, E. Do Souto Espi\ neira, D. Dominis Prester, A. Donini, D. Dorner, M. Doro, L. Eisenberger, D. Elsässer, G. Emery, J. Escudero, L. Fari\ na, L. Feligioni, F. Ferrarotto, A. Fiasson, L. Foffano, L. Font, F. Frías García-Lago, Y. Fukazawa, S. Gallozzi, J. Garcia Garcia, R. J. García López, S. Garcia Soto, D. Gasparrini, S. Gasparyan, M. Gaug, J. G. Giesbrecht Paiva, N. Giglietto, F. Giordano, P. Gliwny, N. Godinovic, T. Gradetzke, R. Grau, J. Green, G. Grolleron, S. Gunji, P. Günther, D. Hadasch, A. Hahn, M. Hashizume, T. Hassan, K. Hayashi, L. Heckmann, M. Heller, J. Herrera Llorente, N. Hiroshima, D. Hoffmann, D. Horns, J. Houles, D. Hrupec, T. Inada, S. Inoue, K. Ioka, M. Iori, D. Israyelyan, A. Iuliano, J. Jahanvi, I. Jiménez Martínez, J. Jiménez Quiles I. Jorge Rodrigo, J. Jurysek, M. Kagaya, S. Kankkunen, V. Karas, H. Katagiri, T. Kayanoki, D. Kerszberg, M. Khachatryan, G. W. Kluge, Y. Kobayashi, K. Kohri, J. Konrad, P. Kornecki, P. M. Kouch, H. Kubo, J. Kushida, B. Lacave, M. Láinez, A. Lamastra, L. Lemoigne, E. Lindfors, M. Linhoff, S. Lombardi, F. Longo, R. López-Coto, M. López-Moya, A. López-Oramas, S. Loporchio, A. Lorini, J. Lozano Bahilo, F. Lucarelli, H. Luciani, L. Lulić, P. L. Luque-Escamilla, P. Majumdar, M. Makariev, M. Mallamaci, D. Mandat, G. Maneva, M. Manganaro, S. Mangano, D. K. Maniadakis, G. Manicò, K. Mannheim, F. Marini, M. Mariotti, G. Marsella, J. Martí, D. Martin, G. Martínez, M. Martínez, O. Martinez, P. Maruš, evec, M. Massa, D. Mazin, S. Menchiari, J. Méndez-Gallego, S. Menon, E. Mestre Guillen, D. Miceli, T. Miener, J. M. Miranda, J. M. Miranda, R. Mirzoyan, M. Mizuno, M. Molero Gonzalez, E. Molina, H. A. Mondal, T. Montaruli, A. Moralejo, S. Morales Sanchez De Lozada, K. Morita, A. Morselli, V. Moya, K. Mrakovčić, A. L. Müller, H. Muraishi, T. Nagata, S. Nagataki, T. Nakamori, C. Nanci, A. Negro, A. Neronov, V. Neustroev, D. Nieto Castaño, M. Nievas Rosillo, C. Nigro, L. Nikolić, K. Nilsson, K. Noda, V. Novotny, S. Nozaki, M. Ohishi, A. Okumura, R. Orito, L. Orsini, J. Otero-Santos, P. Ottanelli, S. Paiano, M. Palatiello, G. Panebianco, D. Paneque, R. Paoletti, J. M. Paredes, M. Pech, M. Pecimotika M. Peresano, F. Perrotta, M. Persic, F. Pfeifle, E. Pietropaolo, M. Pihet, G. Pirola, C. Plard, F. Podobnik, M. Polo, C. Pozo-Gonzaléz, P. G. Prada Moroni, E. Prandini, S. Rainò, R. Rando, W. Rhode, M. Ribó, J. Rico, V. Rizi, G. Rodriguez Fernandez, A. Roy, E. Ruiz-Velasco, N. Sahakyan, T. Saito, S. Sakurai, D. A. Sanchez, H. Sano, E. Santos Moura, T. Šarić, Y. Sato, F. G. Saturni, V. Savchenko, F. Schiavone, K. Schmitz, F. Schussler, T. Schweizer, M. Seglar Arroyo U. Sharma, T. Siegert, G. Silvestri, A. Simongini J. Sitarek, V. Sliusar, D. Sobczynska, I. Sofia, A. Stamerra, J. Strišković, D. Strom, M. Strzys, Y. Suda, A. Sunny, H. Tajima, M. Takahashi, R. Takeishi, S. J. Tanaka, J. Tartera Barberà, T. Tavernier, P. Temnikov, Y. Terada, K. Terauchi, T. Terzic, M. Teshima, M. Tluczykont, T. Tomura, D. F. Torres, F. Tramonti, P. Travnicek, G. Tripodo, A. Tutone, S. Ubach, M. Vacula, M. Vázquez Acosta, S. Ventura, G. Verna, I. Viale, A. Viana, A. Vigliano, C. F. Vigorito, E. Visentin, V. Vitale, M. Vorbrugg, G. Voutsinas, I. Vovk, T. Vuillaume, R. Walter, C. Walther, L. Wan, P. Witczak, F. Wersig, T. Yamamoto, R. Yamazaki, Y. Yao, P. K. H. Yeung, T. Yoshida, T. Yoshikoshi, W. Zhang

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下，宇宙是一个巨大的、宇宙级的管弦乐团。长期以来，我们只能聆听光之音乐——恒星闪烁、星系旋转以及爆炸闪现。但在2015年，我们终于制造出了一种新型的“耳朵”：引力波探测器。这些是时空本身产生的涟漪，由黑洞碰撞等质量巨大的天体所创造。这就像是用胸腔去感受低音的震动，而不仅仅是用耳朵去听。当两个黑洞合并时，它们会发出这些涟漪，但在很长一段时间里，我们一直认为它们是沉默的。它们既不闪光，也不发光；它们只是消失在了黑暗之中。

然而，科学家们有一个大胆的理论：也许这些黑洞合并并不总是沉默的。如果它们发生在围绕着巨大黑洞（就像一个宇宙美食广场）旋转的超热气体盘内部，那么这场碰撞可能会产生一束高能伽马射线——一种如此强力的光闪，以至于肉眼无法看见，但能被特殊的望远镜观测到。大问题在于：这些宇宙级的碰撞真的会点亮天空吗？还是它们依然是我们所认为的那种沉默的巨人？

这篇论文讲述了两位科学家——MAGIC和LST-1——决定扮演侦探的故事。他们利用两台强大的“伽马射线照相机”，在LIGO-Virgo-KAGRA网络探测到两次特定的黑洞合并后，紧盯着天空进行观测。第一个事件GW240615是一个明星案例，因为科学家们确切知道该往哪里看；这就像是被告知小偷就躲在某一个房间里。第二个事件GW241125则稍微复杂一些。虽然它的定位区域比第一个事件大（约76平方度），但这对于望远镜来说仍然足够小，可以将其视为单一目标，不像大多数引力波事件那样迷失在巨大的、模糊的天空区域中。此外，它附近似乎还有一个微弱且神秘的X射线闪光，这使其成为了伽马射线暴的一个头号嫌疑对象。

团队将望远镜对准了这些位置，希望能捕捉到一些理论预测可能存在的、高能伽马射线的踪迹。但转折来了：尽管他们付出了巨大的努力，并使用了非常巧妙的方法来处理恶劣天气和棘手的数据，但他们什么也没看到。没有伽马射线闪光，没有宇宙聚光灯。只有沉默。

研究人员必须努力解读他们的数据。对于第一个事件，天空很晴朗，但望远镜观测的角度很陡，这使得数据显得有些模糊。对于第二个事件，天气非常糟糕；厚厚的云层像一层沉重的毯子，遮挡了大部分的光线。团队不得不丢弃了第二个事件的大部分数据，并使用特殊的计算机模拟来推算如果云层不存在，望远镜本应看到什么。他们甚至构建了一个定制的“防天气”分析模型，以从仅有的几次晴朗时刻中榨取每一丝信息。

结果如何？他们为这些伽马射线闪光的亮度设定了一个非常严格的上限。他们发现，如果真的存在闪光，其亮度也低于望远镜所能探测到的极限。换句话说，他们排除了这些特定的黑洞合并产生某些理论所预言的、可探测到的明亮伽马射线暴的可能性。这就像是在一个黑暗的房间里用超亮的强光手电筒照射，却发现了一无所获；你不能断定那里一定什么都没有，但你可以很有把握地说，如果那里确实有什么，那它绝不会发出的光非常亮。

这并不意味着该理论已经破产，但这意味着对于这两个特定事件而言，“响亮版”的故事并没有发生。作者们建议，如果黑洞合并确实会产生光，那么这种光可能比我们预期的要微妙得多，或者它只在某些我们尚未完全理解的特定条件下才会发生。目前来看，伽马射线频段的宇宙管弦乐团依然保持着沉默，而寻找黑洞合并之光的探索仍在继续。

技术摘要：对两例双黑洞并合超高能（VHE）对应体的约束

问题与背景
尽管双中子星（BNS）并合的电磁（EM）对应体检测已成为既定事实（例如 GW170817），但尚未观察到双黑洞（BBH）并合的电磁对应体。理论模型表明，嵌入在活动星系核（AGN）致密吸积盘中的 BBH 并合可能会产生可探测的电磁辐射，包括通过同步辐射和逆康普顿过程产生的超高能（VHE）伽马射线。然而，缺乏确定的探测结果使得产生此类辐射所需的物理条件仍未受到约束。本文旨在解决寻找 VHE 对应体的挑战，特别关注来自 LIGO-Virgo-KAGRA（LVK）协作组第四次观测运行（O4b）的两个候选事件：GW240615_113620（GW240615）和 GW241125_010116（GW241125）。

观测活动与数据
作者使用 MAGIC 望远镜和切连科夫望远镜阵列观测台（CTAO）的第一台大型望远镜（LST-1）进行了后续观测。这两台望远镜均位于拉帕尔马岛的 Roque de los Muchachos 天文台。

GW240615： 该事件是 LVK 运行阶段定位最精确的 BBH 并合事件，其 90% 置信区域仅为 5 deg²。观测在触发后约 14.9 小时开始。由于定位区域较小，整个感兴趣区域均位于望远镜的视野（FoV）内，从而允许采用协调的“摆动”（wobble）观测策略。
GW241125： 该事件具有较大的定位区域（76 deg²），但在时间和空间上与 Swift-BAT、Swift-XRT 和 Einstein Probe FXT 检测到的一个亚阈值短时暴存在重合。观测在触发后约 19 小时开始，针对 Swift-BAT 候选坐标进行观测。

方法论
论文详细介绍了联合分析流程以及针对观测条件所需的特定调整：

联合立体分析： 作者使用 magic-cta-pipe 包结合了 MAGIC 和 LST-1 的数据。MAGIC 数据被转换为 ctapipe 格式，以实现统一的立体重建，与单望远镜观测相比，提高了能量和方向分辨率。
处理不确定定位（GW240615）： 由于源定位不是一个点而是一个概率图，作者采用了频率派方法（遵循 Hussain 等人 2020 年的研究）。他们通过将每个天区像素的似然度与 LVK 二维概率图（ $P^{GW}_i$ ）进行加权，修改了标准的测试统计量（$TS $）。这创建了一个修正后的统计量（$ TS'$），用于在源位于观测区域的条件下推导全局显著性和通量上限（U.L.）。
处理次优天气（GW241125）： GW241125 的观测受到云层覆盖的严重影响，导致大气透射率降低。标准分析链不足以处理此类情况。作者实施了定制化分析，利用根据 LIDAR 系统测量的特定大气条件改编的蒙特卡洛（MC）模拟。这些模拟将包含云层透射剖面（源自 LIDAR 和 keogram 数据）的模拟集成到 sim_telarray 和 CORSIKA 框架中，以校正能量偏差和有效面积的减少。只有保留了具有较高透射率的时间窗口的数据，并应用了 0.5 TeV 的保守能量切断。
背景建模： 对于这两个事件，背景估计使用了 3D 模型（pybkgmodel）和环形背景法，并在整个数据集中进行了归一化。

关键结果

无探测结果： 在 GeV-TeV 波段内未检测到显著的伽马射线辐射。
GW240615 上限：
- 在低能段（0.15–0.6 TeV，仅限 LST-1），95% 置信水平（CL）的通量上限为 $5.17 \times 10^{-11}$ cm $^{-2}$ s $^{-1}$ 。
- 在高能段（ $E > 0.6$ TeV，MAGIC+LST-1），95% CL 通量上限为 $4.47 \times 10^{-12}$ cm $^{-2}$ s $^{-1}$ 。
- 信号的全局显著性较低（在相应范围内分别为 1.01 $\sigma$ 和 1.43 $\sigma$ ）。
GW241125 上限： 由于恶劣的天气条件以及由此导致的有效面积减少，分析得出的通量上限显著高于标准条件下的水平。论文指出，数据质量使得标准分析无法进行，因此必须采用所述的定制方法。
理论背景： 作者在预测 BBH 并合产生 VHE 辐射的理论模型背景下讨论了这些上限。他们指出，虽然仅靠同步辐射无法产生 GeV-TeV 光子，但逆康普顿散射可以。未探测结果对这类潜在对应体的光度提出了限制。

意义与主张
该论文提出了以下技术和观测方面的里程碑：

首次协调的 IACT 引力波后续观测： 这代表了首次在不同成像大气切连科夫望远镜（IACT）之间针对引力波事件进行协调调度观测，利用了 MAGIC+LST-1 的联合立体配置。
方法论进步： 研究展示了分析具有不确定定位的 GW 对应体的可行性，通过一种直接将 GW 概率图整合进伽马射线显著性计算中的加权频率派方法。此外，它展示了通过将实时大气监测数据适配到 MC 模拟中，来分析处于次优、多云条件下的 VHE 数据的稳健方法。
对 BBH 模型的约束： 通过对这两个特定事件（一个具有极佳定位，另一个与类 GRB 爆发相关）未能检测到 VHE 对应体的事实，本文为预测 BBH 并合（特别是发生在 AGN 盘中的并合）产生明亮 VHE 辐射的理论模型提供了经验性约束。作者强调，由于这些事件具有特定的特征（小的定位区域和类 GRB 的关联），它们为测试这些模型提供了前所未有的机会，尽管结果是零探测。

论文结论较为谦逊，指出虽然未实现探测，但成功执行的联合观测策略以及针对挑战性条件开发出的分析技术，为未来随着 CTAO 阵列扩展而进行的更灵敏搜索奠定了基础。

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