Noche 3:En Terreno Desconocido
Hay misterios y MISTERIOS
Hay misterios y MISTERIOS
A mí no me interesa tanto la astrofísica sino la física más fundamental. La astrofísica es la descripción de los fenómenos de lo que vemos ahí fuera usando las leyes de la física. La física fundamental lo que busca precisamente es conocer y entender las leyes físicas que rigen la naturaleza.
Buscar materia oscura es uno de los objetivos de la física fundamental porque ¿qué hay más fundamental que conocer el contenido del Universo?
Ese pequeño 4% es todo lo que conocemos y, de momento, podemos conocer. Por eso hay mucha investigación fundamental para tratar de desentrañar de qué está formado el 96% restante, casi es nada...
No me interesa tanto saber si en una remanente de supernova (como CasA) se producen interacciones entres protones o si la radiación que nos llega de ellos la producen los electrones ellos solitos. No está mal preguntarse si los microquasar emiten o no radiación gamma. Pero, qué le voy a hacer, lo que realmente me llama la atención es saber de qué está hecho nuestro universo. ¿No te parece sorprendente que aún no lo tengamos claro?
El contenido de materia y energía de nuestro Universo sigue siendo un misterio. La física fundamental trata de resolverlo siguiendo diferentes caminos, tanto experimentales como teóricos.
Esta noche en MAGIC observaremos la agrupación de galaxias de Perseus.
Todos lo cálculos apuntan a que tiene un montón de materia oscura. Y algunos modelos teóricos predicen que la materia oscura al chocar entre ella puede producir rayos gamma.
A por ellos vamos. No los podemos dejar escapar.
La libreta científica de Quim
Uff … ahora que sé que alguien más va a leer esta libreta, tendré que intentar escribirla de forma que se entienda. La parte buena es que así cuando me la mire yo en un par de semanas quizás entienda algo.
Veamos si la materia oscura que hay en Perseus nos genera rayos gamma.
import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as pl
%matplotlib inline
Ya tenemos las librerías que necesitamos, ahora a leer los datos. ¿Os acordáis de cómo hacerlo? Si no, preguntad a Alba que cuando quiere ¡se explica muy bien!
#Leemos los ficheros y les damos un nombre
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 ver cuantos datos estoy cargando?
len(perseus_ON)
4111265
4 millones y medio de filas!! Eso ningún Excel lo puede abrir. Por suerte Python sí. Y por qué cada vez cargamos más datos? Porque cada vez lo complicamos un poco.
Alba os explicó como hacer el corte en hadronness. Pero ella ya tenía los datos un poco preparados. Se había quedado con sólo los que tienen un Theta Cuadrado menor que 0.4. No es mi caso, así que para tener un Thetaplot como el de Alba o Daniel necesito hacer también un corte en Theta Cuadrado además del de hadronness.
# 1 Definimos la variables de corte had_cut y theta_cut
had_cut = 0.20
theta2_cut = 0.40
# 2 Seleccionamos los datos:
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 ver cuantos datos me quedo?
len(perseus_ON_cut)
310622
Veis? Tras los cortes nos quedamos con unos trescientos mil eventos. Y sólo me queda hacer 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()
Se parece al de Alba y Daniel, ¿no? Pero en realidad no es igual. ¿Has visto la diferencia? El mío está partido en más trocitos. Yo tengo 40 y ellos sólo tienen 30. Lo he hecho con el “bin=40” en la instrucción:
pl.hist(CutHadOff.compressed(), bins=40, histtype=‘stepfilled’, color=‘red’, alpha=0.5, normed=False)
También puedo cambiar otras cosas: el color (color = ‘yellow’) o como se pintan las barras del gráfico (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()
¿Cuál os gusta más?
Ahora sólo nos falta ver cómo de significativo es los que vemos. A simple vista ya parece que no lo es, pero calculemos la siginificancia.
Alba se queja de Daniel, pero ella también hace alguna trampilla … para calcular la significancia usa una función sin explicar qué instrucciones contiene. ¡Vamos a resolverlo!
De hecho el cálculo de la significancia es muy simple:
S = (N_on - No_off)/sqrt(N_on+N_off)
donde sqrt(…) indica la raiz cuadrada de lo que hay dentro del paréntesis y que en Python se puede poner como:
(N_on+N_off)**(0.5)
Para tener N_on y N_off simplemente sumo los sucesos que tengo en las dos primeras divisiones del gráfico anterior y que me he guardado en las variables Non y Noff para depués hacer la operación aritmética.
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)
Lo que decía 0.45 sigmas o lo que es lo mismo, no vemos rayos gamma que nos lleguen de la materia oscura que hay en Perseus. Pero, ¿quiere decir esto que no hay? Lo veremos pronto y por esos también me he apuntado el número de Eventos ON y OFF.
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.
Descubre más:
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.
Descubre más:
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.
Descubre más:
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.
Descubre más:
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…
Descubre más:
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.
Descubre más:
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.
Descubre más:
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.
Descubre más:
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.
Descubre más:
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.
Descubre más:
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.
Descubre más:
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.
Descubre más:
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.
Descubre más:
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.
Descubre más:
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.
Descubre más:
