Nit 3:En Terreny Desconegut


Hi ha misteris i MISTERIS

A mi no m’interessa tant l’astrofísica sinó la física més fonamental. L’astrofísica és la descripció dels fenòmens del que veiem allà fora fent servir les lleis de la física. La física fonamental el que busca precisament és conèixer i entendre les lleis físiques que regeixen la natura.

Cercar matèria fosca és un dels objectius de la física fonamental perquè què hi ha més fonamental que conèixer el contingut de l’Univers?

Aquest petit 4% és tot el que coneixem i, de moment, podem conèixer. Per això hi ha molta investigació fonamental per intentar desentranyar de què està format el 96% restant, gairebé res ...

No m’interessa tant saber si en una romanent de supernova (com CasA) es produeixen interaccions entre protons o si la radiació que ens arriba d’ells la produeixen els electrons ells solets. No està malament preguntar-se si els microquasar emeten o no radiació gamma. Però, què hi vols fer, el que realment em crida l’atenció és saber de què està fet el nostre univers. ¿No et sembla sorprenent que encara no ho tinguem clar?

El contingut de matèria i energia del nostre Univers continua sent un misteri. La física fonamental tracta de resoldre-ho seguint diferents camins, tant experimentals com teòrics.

Aquesta nit a MAGIC observarem l’agrupació de galàxies de Perseus.

Tots ho càlculs apunten que té un munt de matèria fosca. I alguns models teòrics prediuen que la matèria fosca en xocar entre ella pot produir raigs gamma.

Som-hi. No els podem deixar escapar.

Entra

La llibreta científica de Quim

Uff … ara que sé que algú més va a llegirà aquesta llibreta, hauré d’intentar escriure-de manera que s’entengui. La part bona és que així quan me la miri jo en un parell de setmanes potser entengui alguna cosa.

Vegem si la matèria fosca que hi ha a Perseus ens genera raigs gamma.

import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as pl
%matplotlib inline

Ja tenim les llibreries que necessitem, ara a llegir les dades. Us recordeu de com fer-ho? Si no, pregunteu a Alba que quan vol ’s’explica molt bé!

#Llegim els fitxers i els hi donem un nom
perseus_ON= pd.read_csv('data/EvtList_ON_Perseus_Other.txt', sep=' ')
perseus_OFF= pd.read_csv('data/EvtList_OFF_Perseus_Other.txt', sep=' ')
#A veure quantes dades estic carregant?
len(perseus_ON)
4111265

4 milions i mig de files !! Això cap Excel ho pot obrir. Per sort Python si … I per què cada vegada carreguem més dades? Perquè cada vegada ho compliquem una mica.

L’Alba us va explicar com fer el tall en hadronness. Però ella ja tenia les dades una mica preparades. S’havia quedat amb només els que tenen un Theta Quadrat menor que 0.4. No és el meu cas, així que per tenir un Thetaplot com el de l’Alba o el Daniel necessito fer també un tall en Theta Quadrat a més del de hadronness.

# 1 Definim les variables de tall had_cut i theta_cut 
had_cut = 0.20
theta2_cut = 0.40

# 2 Seleccionem les dades:
perseus_ON_cut = perseus_ON[(perseus_ON['had'] < had_cut) & (perseus_ON['theta2'] < theta2_cut)]
perseus_OFF_cut = perseus_OFF[(perseus_OFF['had'] < had_cut) & (perseus_OFF['theta2'] < theta2_cut)]

# A veure quantes dades em quedo?
len(perseus_ON_cut)
310622

Veieu? Després dels talls ens quedem amb uns tres-cents mil esdeveniments. I només em queda fer el ThetaPlot

pl.figure(1, figsize=(10, 5), facecolor='w', edgecolor='k')
Noff, ThetasOff, _ = pl.hist(perseus_OFF_cut.theta2, bins=40, histtype='stepfilled', color='red', alpha=0.5, normed=False)
Non, ThetasOn, _ = pl.hist(perseus_ON_cut.theta2, bins=40, histtype='step', color = 'blue',alpha=0.9, normed=False)
pl.xlabel('$\Theta^2$ [$grados^2$]')
pl.ylabel('Numero de Eventos')
pl.show()

png

S’assembla al de l’Alba i el Daniel, no? Però en realitat no és igual. Has vist la diferència? El meu està partit en més trossets. Jo en tinc 40 i ells només en tenen 30. Ho he fet amb el “bin = 40” a la instrucció:

pl.hist(CutHadOff.compressed(), bins=40, histtype=‘stepfilled’, color=‘red’, alpha=0.5, normed=False)

També puc canviar altres coses: el color (color = ‘yellow’) o com es pinten les barres del gràfic (histtype = ‘bar’)

pl.figure(1, figsize=(10, 5), facecolor='w', edgecolor='k')
Noff, ThetasOff, _ = pl.hist(perseus_OFF_cut.theta2, bins=40, histtype='stepfilled', color='yellow', alpha=0.5, normed=False)
Non, ThetasOn, _ = pl.hist(perseus_ON_cut.theta2, bins=40, histtype='bar', color = 'magenta',alpha=0.9, normed=False)
pl.xlabel('$\Theta^2$ [$grados^2$]')
pl.ylabel('Numero de Eventos')
pl.show()

png

Quin us agrada més?


Ara només ens falta veure com de significatiu és el que veiem. A simple vista ja sembla que no ho és, però calculem la siginificança.

Alba es queixa de Daniel, però ella també fa alguna trapa … per calcular la significança fa servir una funció sense explicar quines instruccions conté. Anem a resoldre-ho!

De fet el càlcul de la significança és molt simple

S = (N_on - No_off)/sqrt(N_on+N_off)

on sqrt (…) indica l’arrel quadrada del que hi ha dins del parèntesi i que en Python es pot escriure com:

(N_on+N_off)**(0.5)

Per tenir N_on i N_off simplement estirar els successos que tinc a les dues primeres divisions del gràfic anterior i que m’he guardat en les variables ** Non ** i ** Noff ** per deprés fer l’operació aritmètica.

EventosON=np.sum(Non[0:2])
EventosOFF=np.sum(Noff[0:2])
Significancia=(EventosON-EventosOFF)/(EventosON+EventosOFF)**(0.5)
print ("Eventos ON =", EventosON)
print ("Eventos OFF =", EventosOFF)
print ("Significancia =", Significancia)
('Eventos ON =', 18111.0)
('Eventos OFF =', 18025.0)
('Significancia =', 0.45240605872906037)

El que deia 0.45 sigmes o el que és el mateix, no veiem raigs gamma que ens arribin de la matèria fosca que hi ha a Perseus. Però, ¿vol dir això que no n’hi ha? Ho veurem aviat i per això també m’he apuntat el nombre d’esdeveniments ON i OFF.

Doccionari del bon caçador of the gamma ray hunter


Blazar

No, no és un 'blazer', no ens anem de botigues

Es tracta d’un tipus particular de nucli galàctic actiu, amb la característica que el seu jet apunta directament a la Terra. En una frase, és una font d’energia molt compacta associada a un forat negre al centre d’una galàxia que ens està apuntant.


Cascada de partícules

Les cascades del Niàgara de les partícules!

Pluja de partícules resultants de la interacció entre partícules d’alta energia amb un mitjà dens, per exemple, l’atmosfera terrestre. Cadascuna d’aquestes partícules secundàries produïdes crea al seu torn un cascada pròpia, de manera que s’acaben produint una gran quantitat de partícules de baixa energia.


Covariància de Lorentz

Els privilegis de certes equacions ...

Aquesta propietat la tenen certes equacions físiques per la qual no canvien de forma quan es donen certs canvis de coordenades. La Teoria Especial de la Relativitat requereix que les Lleis de la Física han de prendre la mateixa forma en qualsevol sistema de referència inercial. És a dir, si tenim dos observadors les coordenades es poden relacionar per una transformació de Lorentz, qualsevol equació amb magnituds covariants s’escriurà igual per a tots dos.

Descobreix més:


Dualitat Ona Partícula

En què quedem?

Es tracta d’un fenomen quàntic pel qual en certes ocasions les partícules adquireixen característiques pròpies d’una ona. I a l’inrevés. El que esperaríem que es comportés sempre com una ona (per exemple la llum) de vegades ho fa com una partícula. Aquest concepte va ser introduït per Louis-Victor de Broglie i s’ha demostrat experimentalment.

Descobreix més:


Esdeveniment

Aquests sí són els esdeveniments de l'any

Quan parlem d’esdeveniments en aquest camp, ens referim a cadascuna de les deteccions que fem amb els telescopis. Per a cada un d’ells tenim certa informació com la posició en el cel, la intensitat, etc. Això ens permet classificar-los. Ens interessa tenir molts esdeveniments perquè puguem fer estadística a posteriori i treure conclusions.


Forat Negre

Ens encanta tot el desconegut i els secrets que hi ha dins un forat negre són molts

Es tracta d’un objecte astronòmic supermassiu que mostra uns efectes gravitacionals enormes de manera que res (ni partícules ni radiació electromagnètica) pot superar del seu horitzó de successos. És a dir res pot escapar del seu interior.


Galàxia de Nucli Actiu

La festa està dins

Aquest tipus de galàxies (conegudes com AGN) tenen un nucli central compacte que genera molta més lluminositat del que és habitual. Es creu que aquesta radiació és deguda a l’acreció de matèria en un forat negre supermassiu situat en el seu centre. Es tracta de les fonts persistents més lluminoses conegudes a l’Univers.

Descobreix més:


Gravetat Quàntica

Això cada vegada sona pitjor ...

Aquest camp de la física pretén unir la teoria quàntica de camps, que aplica els principis de la mecànica quàntica als sistemes clàssics de camps continus, amb la relativitat general. Es vol definir una base matemàtica unificada amb la qual es puguin descriure totes les forces de la naturalesa, la Teoria del Camp Unificat.

Descobreix més:


Matèria Fosca

I què serà?

Com definir una cosa que no es coneix? Sabem de la seva existència perquè la vam detectar de forma indirecta gràcies als efectes gravitacionals que causa a la matèria visible, però no podem estudiar-la de forma directa. Això és així perquè no interacciona amb la força electromagnètica així que no sabem de què està composta. I estem parlant d’una cosa que representa el 25% de tot el conegut! Així que més val no menysprear-ho i intentar trobar que és …

Descobreix més:


Microquasar

Més avall aprendràs què és un quasar ... doncs el mateix en petitó!

Es un sistema de estrellas binario que produce radiación electromagnética de alta energía. Sus características son similares a las de los cuásares, pero a una escala más pequeña. Los microquasars producen emisiones de radio fuertes y variables muchas veces en forma de jet y tienen un disco de acreción rodeando un objeto compacto (agujero negro o estrella de neutrones) que es muy luminosos en el rango de los rayos X.

Descobreix més:


Nebulosa

Quina forma tenen els núvols?

Les nebuloses són regions del medi interestel·lar compostes bàsicament per gasos i alguns elements químics en forma de pols còsmica. En elles neixen moltes de les estrelles per condensació i agregació de matèria. De vegades només es tracta de restes d’estrelles extingides.

Descobreix més:


Pulsar

Ara em veus, ara no em veus

La paraula ‘pulsar’ ve de l’anglès pulsating star i és precisament això: un estel de la qual ens arriba senyal de manera discontínua. Dit més formalment, és una estrella de neutrons que emet radiació electromagnètica mentres gira. Les emissions són degudes al fort camp magnètic que tenen i el pols està relacionat amb el període de rotació de l’objecte i l’orientació relativa a la Terra. Un dels més coneguts i estudiats és el púlsar de la Nebulosa del Cranc, molt bonica, per cert.

Descobreix més:


Quasar

'Quasi' els confonem amb estrelles

Són els membres més llunyans i més energètics d’una classe d’objectes anomenats galàxies de nucli actiu. El seu nom prové de l’anglès ‘quasi-stellar’, gairebé estrelles, ja que, quan es van descobrir, utilitzant instruments òptics, era molt difícil distingir-les de les estrelles. No obstant això, el seu espectre d’emissió era clarament singular. Normalment han estat formats per la col·lisió de galàxies de les quals els forats negres centrals s’han fusionat per formar un forat negre super massiu o un sistema binari de forats negres.

Descobreix més:


Radiació Cherenkov

Aquest fenomen amb nom de dolent de James Bond és el nostre màxim objecte d'estudi

Radiació electromagnètica emesa quan una partícula carregada passa a través d’un medi dielèctric a una velocitat més gran que la velocitat de fase de la llum en aquest mitjà. Quan un fotó gamma molt energètic o un raig còsmic interactua amb l’atmosfera terrestre, produeixen una cascada de partícules d’alta velocitat. La radiació Cherenkov d’aquestes partícules carregades es fa servir per determinar la font i intensitat dels raigs còsmics o els gammas.

Descobreix més:


Raig Còsmic

Cal saber escollir entre 'llamps, partícules i trons!

Els raigs còsmics són radiació d’alta energia composta fonamentalment per protons molt energètics i nuclis atòmics. Viatgen gairebé a la velocitat de la llum i quan impacten amb l’atmosfera terrestre produeixen cascades de partícules: aquestes partícules generen radició Cherenkov i algunes fins i tot poden arribar a la superfície de la Terra. Però quan els raigs còsmics arriben a la Terra, és impossible saber la seva procedència ja que la seva trajectòria ha canviat perquè s’han desplaçat a través de diferents camps magnètics.

Descobreix més:


Raig Gamma

A per ells!

Radiació electromagnètica ionitzant d’extrema freqüència (per sobre dels 10 exahertz). Es tracta del rang més energètic de l’espectre electromagnètic. La direcció amb la que arriben a la Terra ens indica la direcció on es van originar.

Descobreix més:


Remanent de supernova

Una gran núvol de caramel en el cosmos

Quan explota una estrella (supernova) es crea una estructura nebulosa al seu voltant formada pel material ejectat de l’explosió juntament amb material interestel·lar.

Descobreix més:


Telescopi Cherenkov

Els nostres juguets preferits

Són detectors de fotons gamma d’altes energies situats a la superfície terrestre. Tenen un mirall per recollir la llum i focalitzar-la cap a la càmera. Detecten llum produïda per l’efecte Cherenkov des del blau finsel ultraviolt de l’espectre electromagnètic. Són Les imatges que pren la càmera permeten identificar si la partícula incident en l’atmosfera és un raig gamma o una altra diferent i alhora determinar la direcció i la seva energia. Els telescopis MAGIC al Roque de los Muchachos (La Palma) són un exemple.

Descobreix més:


Teoria de la Relativitat

En aquesta vida tot és relatiu, o no?

Albert Einstein va ser el geni que va decidir donar-li la volta a la mecànica newtoniana per fer-la compatible amb l’electromagnetisme amb les seves Teories de la Relativitat Especial i General. La primera és aplicable al moviment dels cossos en absència de forces gravitatòries i en la segona reemplaça la gravetat newtoniana amb fórmules més complexes encara que per a camps febles i velocitats petites coincideix numèricament amb la teoria clàssica.

Descobreix més: