Noche 1:Apuntando los telescopios


¿Cómo deshacerse de la Luna?

Los filtros para las cámaras de fotos los puedes comprar en muchas tiendas. Pero los de los telescopios MAGIC no los encuentras ni en internet porque no existen en el mercado. Así que no nos queda otro remedio que ir al taller y diseñarlos nosotros mismos.

Una vez los tenemos hay que probarlos para ver si realmente funcionan. ¿Cómo podemos saber si se deshacen sólo de la Luna y no también de los rayos gamma que queremos cazar? Recordad que, de las imágenes que tomamos, sólo queremos sacar la luz lunar.

El filtro se deshace de parte de la Luna y deja pasar parte de los rayos gamma. ¡Pero no es perfecto! Con este esquema podrás calcular si el filtro funciona como esperamos.

En la libreta de la derecha verás cómo hacemos el cálculo. Lo podríamos hacer con lápiz y papel pero, qué pereza ¿no? Con un par de líneas de código lo resolvemos. Usa la libreta sin miedo, no puedes romper nada.

Los cazadores usamos código para trabajar con los datos de los telescopios. No le tengas miedo a la programación, los ordenadores sólo hacen lo que les decimos. Y si los controlas, te ayudan a hacer las cosas más rápidamente.

El filtro absorbe más o menos luz dependiendo de la longitud de onda. Y tanto la luz que viene de la Luna como de los gammas tiene intensidades diferentes también en función de la longitud de onda. Así que tenemos que mirar cuánta luz de los gammas pasa y cuánta de la Luna se absorbe para cada longitud de onda. Para saber el total sumamos todos los valores.

Para saber las cantidades de luz que pasan el filtro multiplicamos la intensidad por F (la fracción de luz que deja pasar el filtro). Si el filtro fuera perfecto muliplicaríamos por 1 el tipo de luz que nos interesa y por 0 la que queremos eliminar. Pero este no es un mundo ideal. No tenemos más remedio que adaptarnos.

Las gráficas parecen muy abstractas, pero en realidad nos explican muchas cosas. Fíjate en qué se muestra en cada eje e intenta relacionarlo con el filtro. ¿Qué luz pasa? ¿Qué luz se absorbe?

¿Has visto que para comparar entre lo que llega y lo que pasa (o se absorbe) dividimos los dos valores de intensidad? Si lo piensas verás que es la mejor manera: si el resultado es cercano a 1 es que los dos valores son parecidos, si no es que son muy diferentes.

Insistimos, los filtros no son pefectos, pero funcionan bien. La intención era que la Luna no fuera un problema, y parece que no lo será. Con estos filtros podremos observar durante más horas sin que la luz que refleja nuestro satélite nos moleste. Sólo queda instalar los filtros para poder usarlos durante las observaciones.

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La libreta científica de Daniel

Esta es mi libreta científica. Aquí puedo ver los datos de los telescopios, hacer cálculos y anotaciones. Es una herramienta más de los Cazadores de Rayos Gamma. Todos los Cazadores tenemos la nuestra y tu tienes la tuya en ** Tu Noche **.

Lo mejor es entender cómo funciona con un ejemplo. Así que vamos a calcular si los filtros que hemos diseñado son los adecuados o no.

Tenemos 3 conjuntos de datos.

  • Uno tiene los datos de la cantidad de luz de luna que llega a los telescopios.
  • Otro tiene los datos de la luz de los rayos gammas que nos llega a los telescopios.
  • El último tiene la información de cuánta luz (de la luna o de los gammas) pasa por el filtro.

Cada fichero nos muestra la información por longitud de onda.

¡ATENCIÓN! Recuerda que para ejecutar el código que hay en cada una de las celdas de comandos debes pulsar SHIFT+ENTER. Y si por cualquier razón haces doble click en una celda de texto como esta, verás el texto sin formato. Haciendo SHIFT+ENTER lo volverás a ver bien.

Leamos por ejemplo el conjunto de datos que nos indica la cantidad de luz de la luna que llega a los telescopios:

%matplotlib inline
from noche1_2 import *
leer("luna")
LongitudOnda  Emision
------------ ---------
         270    0.0921
         280  0.077652
         290 0.0042408
         300  0.049055
         310  0.034728
         320   0.33099
         330    0.4941
         340   0.58336
         350   0.59861
         360   0.79136
         ...       ...
         570    5.6372
         580    6.0073
         590    5.8452
         600    6.3041
         610    6.4821
         620    6.7191
         630    6.6753
         640    6.9272
         650    7.3382
         660    7.8201
         670    8.2151
Length = 41 rows

Esto es lo que significa cada columna - La primera columna es la Longitud de onda medida en nanómetros. - La segunda es la intensidad de la emisión de la luna. Las unidades de la intensidad son arbitrarias (a.u).

Mirar así los datos sirve para ver qué formato tienen, pero para sacar más información de ellos es mucho mejor representarlo gráficamente.

Atento a los ejes de la gráfica. En el eje de las X tenemos la longitud de onda, y en el de las Y tenemos la emisión de la Luna. Fíjate también en la escala del eje de las Y.

grafica("luna")

png

Con el gráfico es fácil de ver que la cantidad de luz de luna (por cierto, ya sabes que en realidad no es luz de luna ya que la luna solo la refleja, ¿no?) aumenta para longitudes de onda mayores.


Miremos qué pasa con la luz de los rayos gamma y los filtros:

grafica("luna")
grafica("gammas")
grafica("filtro")

png

Ahora podemos comparar cuanta luz nos llega de la luna y cuanta nos llega de los gammas.

  • ¿De cuál nos llega más intensidad? ¿De la Luna o de los Gammas?
  • ¿Sabes ver qué parte de la luz deja pasar el filtro y qué parte la absorbe?

La luz que nos llega de los gamma aumenta muy rápido con la longitude de onda entre 250 y 350 nanómetros, pero después, al contrario de la que nos llega de la luna, disminuye para longitudes de onda mayores. Por eso escogimos un filtro que tuviera una buena transmisión por debajo de 350 nanómetros y que no dejara pasar luz por encima de 400 nanómetros.


Es el momento de calcular cuánta luz de la luna y de los gammas pasa el filtro. El objetivo es que el filtro elimine la luna pero no los gammas. Pero no hay ningún filtro perfecto.

El cálculo es simple: debemos multiplicar la intensidad de la luna por el filtro para cada longitud de onda.

multiplicar("luna","filtro")
totalluna: 144.48
lunafiltrada:
[  7.18380000e-02   6.51500280e-02   3.68525520e-03   4.34627300e-02
   3.09773760e-02   2.95574070e-01   4.42713600e-01   5.20357120e-01
   5.29769850e-01   6.87691840e-01   8.37316200e-01   7.43137200e-01
   5.62607500e-01   3.47318400e-01   9.97204000e-02   3.71880000e-02
   1.34568000e-02   1.41795000e-02   1.69920000e-02   2.11032000e-02
   2.16384000e-02   1.72076000e-02   1.34841000e-02   4.39160000e-03
   4.62880000e-03   9.34700000e-04   4.04688000e-04   3.00882000e-04
   3.74871000e-04   2.12456000e-04   0.00000000e+00   0.00000000e+00
   0.00000000e+00   0.00000000e+00   0.00000000e+00   0.00000000e+00
   6.67530000e-05   4.15632000e-04   7.33820000e-04   4.69206000e-02
   4.10755000e-01]
totallunaFiltrada: 5.91

Y lo mismo para la luz de los gammas:

multiplicar("gammas", "filtro")
totalgammas: 22.36
gammasfiltrada
[  8.22120000e-02   7.50905000e-02   3.28568900e-01   6.22946600e-01
   7.08158800e-01   7.37975200e-01   7.53177600e-01   7.47942000e-01
   7.26408000e-01   7.03021000e-01   6.51714000e-01   5.42575800e-01
   3.39794000e-01   1.34264800e-01   3.71436000e-02   1.24290000e-02
   5.43600000e-03   3.25500000e-03   3.19050000e-03   3.70620000e-03
   3.51840000e-03   2.27640000e-03   1.64160000e-03   5.24400000e-04
   5.19700000e-04   1.01160000e-04   3.89920000e-05   2.83140000e-05
   3.16680000e-05   1.75800000e-05   0.00000000e+00   0.00000000e+00
   0.00000000e+00   0.00000000e+00   0.00000000e+00   0.00000000e+00
   3.51200000e-06   2.05260000e-05   3.33900000e-05   1.91700000e-03
   1.50750000e-02]
totalgammasFiltrada: 7.24

Como puedes ver, para la luna pasamos de totalluna = 144 a totallunafiltrada = 6, es decir que nos quedamos con 4% de la luz de la Luna.

En cambio, para los gammas pasamos de totalgammas = 22 a ** totalgammasFiltrada = 7**, que es una reducción mucho menor.

Hagamos los números:

totallunaFiltrada/totalluna
0.040883189190507568
totalcherenkovFiltrada/totalcherenkov
0.32407190844270289

¿Qué te parece? ¿Los filtros funcionan? ¿Pasa más luz de la Luna o más luz de los Gammas en proporción?

Los filtros no son perfectos, pero funcionan bastante bien. Así que ahora podremos observar incluso con Luna llena. Así tendremos más horas para seguir buscando Gammas. Y eso, como verás, es muy importante.

Esta es tu primera libreta científica, tu primer paso como Cazador de Rayos Gamma. Sigue adelante en la noche, te esperan muchas sorpresas de alta energía.

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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