Noche 2:El Microquasar se despierta
Separar el grano de la paja
Separar el grano de la paja
Llegan los datos y lo primero que hacemos es analizarlos.
El Theta Plot nos ayuda a ver el número de rayos gamma que detectamos en anillos concéntricos al punto al que dirigimos el telescopio. Pero el análisis no acaba ahí. En realidad hay muchas otras cosas que debemos hacer.
Algo importantísimo es seleccionar, en la medida de lo posible, las imágenes generadas por rayos gamma y las generadas por otro tipo de rayos cósmicos, como protones o núcleos ligeros.
la luz cherenkov que detectan los telescopios MAGIC. Así que, ¿cómo sabemos si lo que detectamos es un rayo gamma o un protón? Crédito de la imagen: Heinrich J. Voelk, Konrad Bernloehr
En realidad no sabemos a ciencia cierta si lo que detectamos es un rayo gamma u otra partícula… A cada detección el software del telescopio le da una probabilidad de que sea rayo gamma u otra cosa (protón, muón, núcleo de una átomo ligero…). Es lo que llamamos hadroness.
El hadroness es un número entre 0 y 1. Hadroness bajo significa que lo que hemos detectado es probable que sea un rayo gamma. Hadroness alto significa que con mayor probabilidad se trata de otro tipo de rayo cósmico.
En el momento de hacer el thetaplot debemos asegurarnos que estamos representando los eventos con hadroness pequeño, ya que somos cazadores de rayos gamma, ¿no? Así que nos quitamos de encima los protones.
Os voy a confesar algo: los datos que usamos al detectar los rayos gamma de Cas A durante mi noche ya tenían el corte en hadroness hecho. No os lo dije para que no os llegara todo de golpe pero ya habíamos sacado el grano de la paja.
Sigue ahora mi libreta de la derecha para ver cómo haciendo un corte en hadroness conseguimos ver señal…. ¿o no?
¿Habéis visto el Theta plot? Con eso ya me pondría a escribir el paper mientras no dejo de pensar en la suerte que tengo de haber cazado a Cyg-X1. Pero cada vez que me emociono me acuerdo de lo que siempre me dice mi director de tesis:
Esto es física experimental, Alba. Necesitamos datos, muchos datos, para demostrar algo.
-¿Cómo sabes que eso que ves no es ruido?
-¿Cómo sabes que es realmente Cyg-X1 y no solo tus ganas de haberlo cazado?
-Mantén la calma, espera a que lleguen más datos y analízalos.
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as pl
from Theta2ConCorteHadronness import *
%matplotlib inline
Buscando señal en Cyg-X1
Aquí tenemos los datos de ** Cyg-X1 ** … veamos como buscamos señal en ellos
Lo primero es leer los datos que hemos tomado. Veo que Daniel usaba una función que se ha creado él sin explicar mucho que hace realmente… eso está bien para empezar, pero quizás ya es hora de ver que hay dentro de la función: Cuando Daniel hace leer(“luna”), lo que hace en realidad es:
luna=pd.read_csv(“EmisionLuna.txt”, , sep=’ ‘)
Y con esto crea una variable luna que tiene toda información que hay en el fichero “EmisionLuna.txt”.
Hay 3 columnas y varias filas, Aquí solo vemos las 5 primeras. Si queremos usar los datos de la longitud de onda, los encontramos aquí:
luna.LongituOnda
Si queremos los os datos de la Emision, los encontramos aquí:
luna.Emision
La primera columna es un índice. Como el que hay en un Excel, por ejemplo.
Para ver las primeras 5 filas del fichero podemos hacer:
luna.head(5)
Para ver cuantas filas hay en los datos podemos hacer:
len(luna)
Veamos cómo lo hacemos con mis datos de CygX1. Primero vamos a leer los archivos que contienen los eventos para ON y OFF (os acordáis de qué es ON y OFF, ¿no?)
#Leemos los ficheros y les damos un nombre
cygX1_ON= pd.read_csv('data/EvtList_ON_CygX3_1day.txt', sep=' ')
cygX1_OFF= pd.read_csv('data/EvtList_OFF_CygX3_1day.txt', sep=' ')
Ahora sé que los valores de ** Theta cuadrado ** para mis datos ON y OFF los encuentro así:
cygX1_ON.theta2 cygX1_OFF.theta2
# Miramos qué aspecto tienen los 5 primeros valores de theta2 del ON, por ejemplo
cygX1_ON
cygX1_ON.theta2.head(5)
0 0.149
1 0.178
2 0.011
3 0.020
4 0.317
Name: theta2, dtype: float64
# Y también cuantas filas tiene el fichero
len(cygX1_ON)
32654
Más de 30 mil eventos detectados por el telescopio. Esto no es ningún juego! Aunque mirar los datos así no sirve para mucho. Lo que tenemos que hacer es representarlos gráficamente.
Ahora que lo pienso, Daniel tampoco os ha mostrado como hacer el famoso ** Theta Plot **, cuando le vea le echo una bronca de las buenas.
Nada, hagámoslo… en lugar de hacer el simple ** histograma(“casa”, “off”)** se tienen que dar algunos pasos más:
- Definir el tamaño y colores del espacio donde haremos el gráfico
- Hacer el gráfico de barras para el ON ( cygX1_ON.theta2 ) y el OFF ( cygX1_OFF.theta2 )
- Poner nombre a los ejes
- Mostrar el gráfico
Veamos como se hace:
# 1 Definir espacio figura
pl.figure(1, figsize=(10, 5), facecolor='w', edgecolor='k')
# 2 Gráfico de barras ... cygX1_OFF.theta2 y cygX1_ON.theta2 es donde tengo los valores
# que hay que representar, el resto es cosmética de los gráficos, no le deis
# importancia por ahora
pl.hist(cygX1_OFF.theta2, bins=30, histtype='stepfilled',alpha=0.5, color='red', normed=False)
pl.hist(cygX1_ON.theta2, bins=30, histtype='step',alpha=0.9, color = 'blue', normed=False)
# 3 Nombre para los ejes
pl.xlabel('$\Theta^2$ [$grados^2$]')
pl.ylabel('Numero de Eventos')
# 4 A mostrar el gráfico ...
pl.show()
Aquí no hay nada … pero es que Daniel os ha hecho trampas no solo con el código, sino también con el análisis.
Uno de los grandes problemas de los ** Cazadores de Rayos Gamma**, es que además de llegarnos rayos gamma, nos llegan núcleos de átomos (mayoritariamente protones). Así que para ver algo necesitamos quitarnos de encima estos otros rayos.
Mira como queda el ** Theta Plot ** cuando me quito de encima los protones:
from Theta2ConCorteHadronness import *
Non, Noff = histograma_hadronness(0.20)
Ahora soy yo quien hace trampas y no os enseño como me quedo solo con eventos con hadronness pequeño, :D.
Pero no me digáis que no queda bonito el gráfico. Podéis ver que hay muchos menos eventos que antes y que … *** ¡¡¡HAY SEÑAL!!! ***
Veamos qué significancia tiene esta señal:
from Significancia import *
CalcularSignificancia(Non, Noff)
2.6845929556404116
No está mal, 2.7 sigma para el corte de 0.20… ¿Qué quiere decir esto? Sigue un rato más conmigo y te lo intento explicar.
Diccionario del buen cazador
Agujero Negro
Nos encanta todo lo desconocido y los secretos que alberga un agujero negro son muchos
Se trata de un objeto astronómico supermasivo que muestra unos efectos gravitacionales enormes de manera que nada (ni partículas ni radiación electromagnética) puede superar de su horizonte de sucesos. Es decir, nada puede escapar de su interior.
Blazar
No, no es un 'blazer', no nos vamos de tiendas
Se trata de un tipo particular de núcleo galáctico activo, con la característica que su jet apunta directamente a la Tierra. En una frase, es una fuente de energía muy compacta asociada a un agujero negro en el centro de una galaxia que nos está apuntando.
Cascada de partículas
¡Las cataratas del Niágara de las partículas!
Lluvia de partículas resultantes de la interacción entre partículas de alta energía con un medio denso, por ejemplo, la atmósfera terrestre. Cada una de estas partículas secundarias producidas crea a su vez un cascada propia, de manera que se acaban produciendo una gran cantidad de partículas de baja energía.
Covariancia de Lorentz
Los privilegios de ciertas ecuaciones...
Esta propiedad la tienen ciertas ecuaciones físicas por la que no cambian de forma cuando se dan ciertos cambios de coordenadas. La Teoría Especial de la Relatividad requiere que las Leyes de la Física deben tomar la misma forma en cualquier sistema de referencia inercial. Es decir, si tenemos dos observadores cuyas coordenadas se pueden relacionar por una transformación de Lorentz, cualquier ecuación con magnitudes covariantes se escribirá igual para ambos.
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Dualidad Onda Partícula
¿En qué quedamos?
Se trata de un fenómeno cuántico por el cual en ciertas ocasiones las partículas adquieren características propias de una onda. Y al revés. Lo que esperaríamos que se comportara siempre como una onda (por ejemplo la luz) a veces lo hace como una partícula. Este concepto fue introducido por Louis-Victor de Broglie y se ha demostrado experimentalmente.
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Evento
Estos sí son los eventos del año
Cuando hablamos de eventos en este campo, nos referimos a cada una de las detecciones que hacemos en los telescopios. Para cada uno de ellos tenemos cierta información como la posición en el cielo, la intensidad, etc. y eso nos permite clasificarlos. Nos interesa tener muchos eventos para que podamos hacer estadística a posteriori y sacar conclusiones.
Galaxia de Núcleo Activo
La fiesta está dentro
Este tipo de galaxias (conocidas como AGN) tienen un núcleo central compacto que genera mucha más luminosidad de lo habitual. Se cree que esta radiación es debida a la acreción de materia en un agujero negro supermasivo situado en su centro. Se trata de las fuentes persistentes más luminosas conocidas en el Universo.
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Gravedad Cuántica
Esto cada vez suena peor...
Este campo de la física pretende unir la teoría cuántica de campos, que aplica los principios de la mecánica cuántica a los sistemas clásicos de campos continuos, con la relatividad general. Se quiere definir una base matemática unificada con la cual se puedan describir todas las fuerzas de la naturaleza, la Teoría del Campo Unificado.
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Materia Oscura
¿Y qué será?
¿Cómo definir algo que no se conoce? Sabemos de su existencia porque la detectamos de forma indirecta gracias a los efectos gravitacionales que causa en la materia visible, pero no podemos estudiarla de forma directa. Esto es así porque no interacciona con la fuerza electromagnética así que no sabemos de qué está compuesta. ¡Y estamos hablando de algo que representa el 25% de todo lo conocido! Así que más vale no despreciarlo e intentar desentrañar que es…
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Microquasar
Más abajo aprenderás qué es un quasar... pues lo mismo ¡en pequeñín!
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.
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Nebulosa
¿Qué forma tienen las nubes?
Las nebulosas son regiones del medio interestelar compuestas básicamente por gases y algunos elementos químicos en forma de polvo cósmico. En ellas nacen muchas de las estrellas por condensación y agregación de materia. A veces sólo se trata de restos de estrellas extinguidas.
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Pulsar
Ahora me ves, ahora no me ves
La palabra ‘pulsar’ viene del ingles pulsating star y es precisamente esto: una estrella de la cual nos llega señal de forma discontínua. Dicho más formalmente, es una estrella de neutrones que emite radiación electromagnética mientras esta girando. Las emisiones son debidas al fuerte campo magnético que tienen y el pulso está relacionado con el período de rotación del objeto y la orientación relativa a la Tierra. Uno de los más conocidos y estudiados es el púlsar de la Nebulosa del Cangrejo, muy bonita, por cierto.
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Quasar
'Quasi' los confundimos con estrellas
Son los miembros más lejanos y más energéticos de una clase de objetos llamados galaxias de núcleo activo. Su nombre proviene del inglés ‘quasi-stellar’, casi estrellas, ya que, cuando se descubrieron, utilizando instrumentos ópticos, era muy difícil distinguirlas de las estrellas. No obstante, su espectro de emisión era claramente singular. Normalmente han sido formados por la colisión de galaxias cuyos agujeros negros centrales se han fusionado para formar un agujero negro super masivo o un sistema binario de agujeros negros.
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Radiación Cherenkov
Este fenómeno con nombre de malo de James Bond es nuestro máximo objeto de estudio
Radiación electromagnética emitida cuando una partícula cargada pasa a través de un medio dieléctrico a una velocidad mayor que la velocidad de fase de la luz en ese medio. Cuando un fotón gamma muy energético o un rayo cósmico interactúa con la atmósfera terrestre, producen una cascada de partículas de alta velocidad. La radiación Cherenkov de estas partículas cargadas se usa para determinar la fuente e intensidad de los rayos cósmicos o los gammas.
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Rayo Cósmico
Hay que saber escoger entre ¡rayos, partículas y centellas!
Los rayos cósmicos son radiación de alta energía compuesta fundamentalmente por protones muy energéticos y núcleos atómicos. Viajan casi a la velocidad de la luz y cuando impactan con la atmósfera terrestre producen cascadas de partículas: estas partículas generan radición Cherenkov y algunas incluso pueden llegar a la superficie de la Tierra. Pero cuando los rayos cósmicos alcanzan la Tierra, es imposible saber su procedencia ya que su trayectoria ha cambiado porque se han desplazado a través de distintos campos magnéticos.
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Rayo Gamma
¡A por ellos!
Radiación electromagnética ionizante de extrema frecuencia (por encima de los 10 exahertz). Se trata del rango más energético del espectro electromagnético. La dirección con la que llegan a la Tierra nos indica la dirección donde se originaron.
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Remanente de supernova
Una gran nube de caramelo en el cosmos
Cuando explota una estrella (supernova) se crea una estructura nebulosa a su alrededor formada por el material eyectado de la explosión junto con material interestelar.
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Telescopio Cherenkov
Nuestros juguetes favoritos
Son detectores de fotones gamma de altas energías situados en la superficie terrestre. Tienen un espejo para recoger la luz y focalizarla hacia la cámara. Detectan luz producida por el efecto Cherenkov desde el azul hasta el ultravioleta del espectro electromagnético. Las imágenes que toma la cámara permiten identificar si la partícula incidente en la atmósfera es un rayo gamma u otra distinta y a la vez determinar la dirección y su energía. Los telescopios MAGIC en el Roque de los Muchachos (La Palma) son un ejemplo.
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Teoría de la Relatividad
En esta vida todo es relativo ¿o no?
Albert Einstein fue el genio que decidió darle la vuelta a la mecánica newtoniana para hacerla compatible con el electromagnetstmo con sus Teorías de la Relatividad Especial y General. La primera es aplicable al movimiento de los cuerpos en ausencia de fuerzas gravitatorias y en la segunda se reemplaza la gravedad newtoniana con fórmulas más complejas aunque para campos débiles y velocidades pequeñas coincide numéricamente con la teoría clásica.
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