Nit 4:La velocitat dels raigs Gamma
Galàxia de nucli actiu
Galàxia de nucli actiu
MKN 421 és una galàxia amb nucli actiu situada a l’Óssa Major. De fet és una de les més properes a la Terra, a només 400 milions d’anys llum.
Va ser una de la primeres fonts d’on vam veure que arribaven raigs gamma i és una de les fonts que coneixem de la que els raigs gamma arriben a la Terra de forma més habitual.
Però a més, en comptades ocasions, emet moltíssim més convertint-se en l’objecte de l’univers més brillant en raigs gamma. I no només una mica més, sinó un ordre de magnitud (és a dir 10 vegades més brillant).
Al cor d'una galàxia activa, la matèria que cau cap a un forat negre supermassiu crea jets de partícules que viatgen gairebé a la velocitat de la llum. Per a les galàxies actives classificades com blazars, un d'aquests jets apunta pràcticament directe cap a la Terra. Crèdit de la imatge: NASA
En el quadern de notes de la dreta pots veure com analitzem primer si hi ha senyal a les dades que hem pres aquesta nit de MKN 421 i tot seguit com mirem l’evolució temporal del senyal durant la nit.
Hi ha o no hi ha flare?
La llibreta científica de Leyre
Segur que després de passar una nit amb el Daniel, l’Alba i el Quim, ja ets una experta en això de analitzar dades i de programar amb Python. I segurament molt del que hi ha a la meva llibreta ja ho saps fer sense ajuda. Però espero poder ensenyar-te encara alguna cosa nova!
Per començar, vegem si hi ha raigs gamma a les dades que prenem. La gent de VERITAS estava molt emocionada. Però no seria la primera vegada que l’emoció es transforma en decepció.
El Thetaplot ja el tens controlat, no?
import pandas as pd
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as pl
%matplotlib inline
# Llegim els fitxers i els hi donem un nom
mrk421_ON= pd.read_csv('data/EvtList_ON_Mrk421.txt', sep=' ')
mrk421_OFF= pd.read_csv('data/EvtList_OFF.txt', sep=' ')
# Definim les variables de tall had_cut i theta_cut
had_cut = 0.20
theta2_cut = 0.40
# Seleccionem les dades:
mrk421_ON_cut = mrk421_ON[(mrk421_ON['had'] < had_cut) & (mrk421_ON['theta2'] < theta2_cut)]
mrk421_OFF_cut = mrk421_OFF[(mrk421_OFF['had'] < had_cut) & (mrk421_OFF['theta2'] < theta2_cut)]
pl.figure(1, figsize=(10, 5), facecolor='w', edgecolor='k')
Noff, ThetasOff, _ = pl.hist(mrk421_OFF_cut.theta2, bins=40, histtype='stepfilled', color='red', alpha=0.5, normed=False)
Non, ThetasOn, _ = pl.hist(mrk421_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()
És cert!!! Com que Mrk 421 estava en flare no vam perdre el temps prenent OFF data, vam agafar tant ON com vam poder. Mai se sap quant temps durarà un flare. Així que vam estar bàsicament 3 hores seguides prenent dades ON de Mrk 421. I clar, ara els esdeveniments ON i OFF no em coincideixen.
Bé, això té una solució fàcil. El que realment m’interessa és saber quin és el OFF a la zona on hi ha senyal: valors de Theta Quadrat petits. Així que puc buscar per quin factor he de multiplicar el OFF perquè em coincideixi amb el ON a valors de Theta Quadrat grans (entre 0.25 i 0.35, per exemple). Aquest factor el faig servir per escalar tot el OFF i ja tinc una bona estimació de quants esdeveniments de ON no són raigs gamma que vinguin de Mrk 421.
eventos_off = sum(Noff[26:35])
eventos_on = sum(Non[26:35])
factor = eventos_on / eventos_off
print ("Necessitem escalar l'OFF per un factor:", factor)
('Necessitem escalar l'OFF per un factor:', 4.7118271695349687)
Ja tinc el factor d’escala, entens com ho he fet? Ara vegem com ho aplico a tots els esdeveniments de les observacions OFF.
La forma més fàcil de fer-ho és amb pesos … ‘weights’ en anglès, que és l’idioma bàsic que utilitza Python.
pl.figure(2, figsize=(10, 5), facecolor='w', edgecolor='k')
# Creem una variable 'weights'. I l'omplim d'uns (ones_like) multiplicat pel
# factor que acabem de trobar
weights = np.ones_like(mrk421_OFF_cut.theta2)*factor
# I ara només cal afegir a la funció que ja coneixem: pl.hist, un paràmetre:
# weights=weights
Noff, ThetasOff, _ = pl.hist(mrk421_OFF_cut.theta2, bins=40, histtype='stepfilled', color='red', alpha=0.5, normed=False, weights=weights)
Non, ThetasOn, _ = pl.hist(mrk421_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()
Wow !!! Doncs si, estava en flare. Tinc més raigs gamma en 3 hores (concretament 10000 segons) dels que mai tindran el Daniel, l’Alba i el Quim.
I de fet, amb tants raigs gamma podem mirar si la quantitat que ens arriba canvia amb el temps. Perquè, de fet, en això consisteixen els flares: el nombre de raigs gamma que ens arriben d’un lloc augmenta per un cert temps.
Per això, el primer que necessito és consultar el temps d’arribada de cada esdeveniment ON. Faré servir sempre el mateix OFF, que no canvia amb el temps.
Les nostres dades incorporen una columna nova anomenada Temps que ens indica el moment en que el telescopi detecta els raigs gamma.
mrk421_ON_cut.head()
| Energia | had | theta2 | Tiempo | |
|---|---|---|---|---|
| 24 | 90.0 | 0.130 | 0.333 | 8346.26 |
| 31 | 172.0 | 0.006 | 0.003 | 9033.70 |
| 32 | 85.0 | 0.062 | 0.239 | 1300.29 |
| 34 | 61.0 | 0.159 | 0.268 | 2116.28 |
| 54 | 3081.0 | 0.196 | 0.204 | 7509.42 |
I per fer servir la columna Tempo, tant en l’ON com a l’OFF saps que només cal fer:
mrk421_ON_cut.Tiempo
Ara vull veure com els raigs gamma ens arriben a mesura que passen els segons. Recordeu que això és un flare, una explosió, així que esperem que el nombre de Gammas canviï amb el temps ràpidament. Però el millor és veure-ho amb els nostres ulls.
Aquesta gràfica que busquem es diu Lightcurve (corba de llum) i ens mostra el nombre d’excessos (ON - OFF) que tinc en cada interval de temps.
Així és com es poden fer els càlculs i la gràfica.
# Com calcular un Lightcurve
# 1 Preparem les dades tenint en compte que els excessos els calculem amb:
# a/ Després del tall en hadronness
# b/ Utilizant els esdeveniments en els dos primers bin del Theta Plot,
# és a dir Theta Quadrat <0.02
# c/ Amb l'OFF i el ON normalitzats
had_cut = 0.20
theta2_cut = 0.02
mrk421_ON_cut_LightCurve = mrk421_ON[(mrk421_ON['had'] < had_cut) & (mrk421_ON['theta2'] < theta2_cut)]
mrk421_OFF_cut_LightCurve = mrk421_OFF[(mrk421_OFF['had'] < had_cut) & (mrk421_OFF['theta2'] < theta2_cut)]
weights = np.ones_like(mrk421_OFF_cut_LightCurve.theta2)*factor
# 2 Calcular Non i Noff per a cada interval de temps.
# Anem a definir 100 intervals (bins) en els 10000 segons de les nostres dades
bins =100
Non, tiempos= np.histogram(mrk421_ON_cut_LightCurve.Tiempo, bins=bins)
Noff, bins_off= np.histogram(mrk421_OFF_cut_LightCurve.Tiempo, bins=tiempos, weights=weights)
# 3 Calcular l'Excés i el seu Error per a cada interval de temps.
Exceso= Non - Noff
Error= (Non + Noff)**0.5
# 4 Representar el lightcurve: els excessos amb els seus errors al llarg del temps
pl.figure(1, figsize=(10, 5), facecolor='w', edgecolor='k')
pl.errorbar(tiempos[1:], Exceso, xerr=10000.0/(2.0*bins), yerr= Error, fmt='or', ecolor='red')
pl.xlabel('Tiempo [s]')
pl.ylabel('Numero de rayos Gammas')
pl.show()
Genial! La quantitat de raigs gamma canvia i ho fa molt ràpid. Quan tenim la sort d’observar un flare així, podem treure molta informació. Tant de la font en si i dels processos que hi succeixen, com de què els passa als raigs gamma mentre viatgen des de la font fins a la terra. A mi el que més m’interessa és aquesta segona part!
Nota: A diferència del Thetaplot, en el pas 4 no vull representar quantes vegades passa alguna cosa en les meves dades. Vull mostrar una variable (Nombre de Excessos) en funció d’una altra (Temps), amb els seus errors. Per això no puc fer servir “pl.hist”. Utilitzo una altra funció que fa exactament el que necessito:
Pl.errorbar (VariableEjeX, VariableEjeY)
A més se li poden donar paràmetres addicionals per definir:
Error a l’Eix X: xerr = ??? Error a l’Eix Y: yerr = ??? Format dels punts: fmt = ‘or’, o per tenir un cercle en cada punt i r perquè sigui vermell Color per representar els errors: ecolor = ‘xarxa’
Així representem el nombre d’excessos en funció del temps, això és el que anomenem Light Curve (corba de llum).
Ara anem a representar les dades d’una forma diferent:
Veiem com canvien amb el temps els raigs Gamma que detecta la càmera del telescopi en els 10000 segons que dura el flare. Si et fixes pots veure clarament quan es produeix el flare a l’ON, mentre a l’OFF tot segueix igual. I, és clar, coincideix amb els pics del lightcurve. Els esdeveniments es concentren al centre de la càmera perquè estem apuntant a Mrk421.
Per què hi ha deteccions que són circumferències? La mida dels esdeveniments representa la seva energia.
from IPython.display import HTML
HTML("""
<video width="600" height="600" controls="" autoplay="" loop="">
<source src="data/animation_ONOFF.mp4" type="video/mp4">
</video>
""")
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:
