Elektromágneses tranziensek keresése a Fermi muhold ˝ megfigyeléseiben Bagoly Zsolt ELTE TTK Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék
2016. november 9.
EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben
100 éves az általános relativitáselmélet konferencia
1 / 28
Automatized Detector Weight Optimization
Searching for electromagnetic counterpart of LIGO gravitational waves in the Fermi GBM data with ADWO , A&A 593, L10 (2016) BZs, Csabai István, Dobos László ELTE KRFT Szécsi Dorottya (Ondˇrejov Obs.) Horváth István, NKE HHK Balázs G. Lajos, Tóth L. Viktor ELTE CsTsz./CSFKI KTM Lichtenberger János, ELTE Geofizikai Tsz. OTKA NN111016, NN114560, World Wide Lightning Location Network, Wigner GPU Laboratórium. Connaughton+16: GW150914
EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben
100 éves az általános relativitáselmélet konferencia
2 / 28
(GLAST)-Fermi (2008-) kb. 250 GRB/év 10keV - GeV tartomány! GBM: NaI, BGO detektorok LAT: ≈ 10 MeV felett automatikus forgás: ráfordul a forrásra + teljes égletapogatás 3 óránként
EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben
100 éves az általános relativitáselmélet konferencia
3 / 28
Fermi detektorok
EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben
100 éves az általános relativitáselmélet konferencia
4 / 28
Fermi GeV-es égbolt
EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben
100 éves az általános relativitáselmélet konferencia
5 / 28
Fermi GBM detektorok 12 NaI(Tl) detektor: 8 keV - ∼ 1 MeV, 2 BGO detektor: ∼ 200 keV ˝ ∼ 40 MeV, 128 energiacsatorna, 2µs idofelbontással minden detektorra CTIME adatok 2012. november 26 óta folyamatosan. Effektív felület irány- és energiafüggo˝ (detector response matrix, DRM) - csak GRB idején adják meg! 140 32 keV simulated measured
Photopeak Effective Area (cm2)
Photopeak Effective Area (cm2)
120
100
279 keV simulated measured
80
662 keV simulated measured
60
40
20 0 -200
-150
-100
-50 0 50 100 Source Position (degrees)
150
Figure 12. Angular dependence of the NaI detector effective area. (A color version of this f gure is available in the online journal.)
200
120
100
80 279 keV simulated measured
60
898 keV simulated measured
40 20 -200
1836 keV simulated measured
-150
-100
-50 0 50 100 Source Position (degrees)
150
200
Figure 13. Angular dependence of the BGO detector effective area. (A color version of this f gure is available in the online journal.)
Trigger: több detektor, küszöb (4.5 − 7.5σ) és energiasáv ˝ (25 − 50 − 100 − 300, > 300 keV) feltétel (kb. 75 a 120 lehetségesbol). EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben
100 éves az általános relativitáselmélet konferencia
6 / 28
Automatized Detector Weight Optimization (ADWO)
˝ Multi-detektor multi-csatorna jel, tudjuk a közelíto˝ idot. Szokásos eljárás: háttér+spektrális modell illesztve a DRM-el a binnelt beütésszámokra. De: nem ismerjük a DRM-et! Legegyszerubb ˝ megoldás: adjuk össze minden detektor és minden csatorna jelét! Ez nagyon zajos! ˝ jeleket adjuk össze! De melyek Optimális súlyozás: csak az eros ezek? ei energiacsatornaés dj nem-negatív detektorsúlyok P P ( ei = 1, dj = 1).
EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben
100 éves az általános relativitáselmélet konferencia
7 / 28
Automatized Detector Weight Optimization (ADWO)
LegyenP Cij (t ) a háttérrel korrigált intenzitás, ekkor a kompozit jel: S (t ) = i ,j ei dj Cij (t )
S (t ) a jel maximum a keresési tartományban, B (t ) a hattér maximuma (a keresési tartományon kívül). Ketto˝ aránya maximalizálandó (Signal’s Peak to Background’s Peak Ratio ,SPBPR). Matlab/Octave kód, az fminsearch-al optimalizál (GitHub https://github.com/zbagoly/ADWO).
EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben
100 éves az általános relativitáselmélet konferencia
8 / 28
Fermi adatok analízise ˝ e1 . . . e8 energiacsatornák (Connaughton+16-nak megfeleloen): 4.4, 12, 27, 50, 100, 290, 540, 980 és 2000 keV Alacsonyenergiás részt nem vizsgáltuk: csak a 27-2000 keV tartomány (e3 . . . e8 ) marad. Na(I) és BGO egyszerre, de: BGO e3 − e4 nincsen: ˝ 6 × 14 − 2 × 2 = 80 idosor. ≈ 5.8 ms átlagos foton-foton követési ido˝ detektoronként és csatornánként. 64ms csúszó ablak, átlagosan 11.2 foton. Mi az optimális kernel inhomogén Poisson folyamatra? ≈ (−200, 500) s ablak az események körül, kb. 1/7 keringés. Konzervatív paraméterek EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben
100 éves az általános relativitáselmélet konferencia
9 / 28
Fermi háttér illesztése Forgás: hosszú jel+bonyolult háttér, megoldás több pálya átlagolása. Szécsi+13: égi pozíciók használata általánosított inverzzel. Pl. forgás a GRB091030613 alatt:
Sun position 091030613 det 0 det 1 det 2 det 3 det 4 det 5 det 6 det 7 det 8 det 9 det a det b
EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben
100 éves az általános relativitáselmélet konferencia
10 / 28
Fermi háttér illesztése II. GRB091030613 háttér irányfüggése az égi pozíciókkal 1500
chi2 = 0.973
1400
counts/sec
1300 1200 1100 1000 900 800 -1000 -800 -600 -400 -200
0
200
400
600
800 1000
time
˝ Most: rövid jeleket keresünk, az idoskála rövid: hatodrendu˝ polinóm közelítés. EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben
100 éves az általános relativitáselmélet konferencia
11 / 28
GRB150522B 2015 május 22, 22:38:44.068 UTC. T90 = 1.02 ± 0.58s , 2.13 ± 0.12 × 10−7 erg/cm2 fluencia (Connaughton+16-hoz hasonló)
Signal Peak to Background Peak Ratio
ADWO: (−137, 476)s CTIME adat a triggerhez képest, 6s ablak a trigger körül, SPBPR=3.12 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0
-0.5 -1 -3
-2
-1
0
1
2
3
seconds since May 22, 2015 22:38:44.068 UTC
EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben
100 éves az általános relativitáselmélet konferencia
12 / 28
GRB150522B: Fermi quicklook adat
EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben
100 éves az általános relativitáselmélet konferencia
13 / 28
GRB150522B: szignifikancia
104 Monte-Carlo (MC) szimuláció a háttér alapján, szintetikus adattal, a teljes eljárás megismételve. Nem volt nagyobb szimuláció SPBPR 3.12-nál: 2 × 10−5 Hz a hibás jel gyakorisága A valószínuség ˝ 2 × 10−5 Hz × 0.125 s × (1 + ln(6 s/64 ms)) = 2.8 × 10−5
EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben
100 éves az általános relativitáselmélet konferencia
14 / 28
GW150914 (−195, 495)s teljes intervallum, 6s ablak 2015. szeptember 14. ˝ 09:50:45 UTC körül (391ms-al a trigger elott). ADWO: maximális SPBPR=1.911, 474 ms-al a GW trigger után (a pozíció nincs megkötve!)!
EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben
100 éves az általános relativitáselmélet konferencia
15 / 28
GW150914 NaI összegezés: Connaughton+16 4.4-12keV
1000
4400
12-27keV
4200 900
4000 3800
800
3600 2100
27-50keV
Counts per Second
2800
2000
50-100keV
1900
2600
1800
2400
1700 2200
1800
1600
100-290keV
500
290-540keV
1700 400
1600 1500 1400
540-980keV
600
980-2000keV
600 500 500
400
10
5
0
5
10 10 Seconds from GW T0
5
0
5
Fig. 5.— Detected count rates summed over NaI detectors in 8 energy channels, as a function of time relative to the start of the GW event GW150914. Shading highlights the interval containing 100 éves az általános relativitáselmélet konferencia
EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben
10
16 / 28
GW150914 BGO összegezés: Connaughton+16 1000
0.11-0.42MeV
800
0.42-0.95MeV
900 700 800 600 700 900
0.95-2.1MeV
2.1-4.7MeV
Counts per Second
400 800 700
100
300
4.7-9.9MeV
9.9-22MeV 50
50
200
22-38MeV
38-50MeV
50
100
10
5
0
5
10 10 Seconds from GW T0
5
0
5
Fig. 6.— Detected count rates summed over BGO detectors in 8 energy channels, as a function of time relative to the start of the GW event GW150914. Shading highlights the interval containing 100 éves az általános relativitáselmélet konferencia
EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben
10
17 / 28
GW150914: szignifikancia
104 Monte-Carlo (MC) szimuláció, az SPBPR 86 esetben nagyobb 1.911-nél. 0.0014 Hz a hibás jel gyakorisága A valószínuség ˝ −3 2.8 × 10 Hz × 0.474 s × (1 + ln(6 s/64 ms)) = 0.0075. (Connaughton+16: 0.0022)
EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben
100 éves az általános relativitáselmélet konferencia
18 / 28
GW150914 valódi háttér
61.4 ks CTTE adathalmaz, ugyanazon a napon, muholdas ˝ átállás nélkül. 30 eseménynél nagyobb az SPBPR 1.911-nél, azaz 4.885 × 10−4 Hz a hibás jel gyakorisága, 9.78 × 10−4 Hz × 0.4 s × (1 + ln(6 s/64 ms)) = 0.00216 a valószínuség. ˝ ˝ Mi a helyes eljárás - idobeli pozíció bevonása?
EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben
100 éves az általános relativitáselmélet konferencia
19 / 28
27 − 290 keV súlyok a 61.4 ks CTTE adathalmazban
27-290keV weigths (e3+e4+e5)
1 0.9 0.8
GRB150522
0.7 0.6 0.5
LVT151012
0.4
GW150914
0.3 0.2 0.1 0 1
2
3 4 Signal/Background Peak Ratio
EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben
5
100 éves az általános relativitáselmélet konferencia
6
20 / 28
LVT151012 (−195, 495)s teljes intervallum, 6s ablak 2015. október 2., 09:54:43 UTC körül. ADWO: maximális SPBPR=1.805, 09:54:44.207 UTC-kor
EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben
100 éves az általános relativitáselmélet konferencia
21 / 28
LVT151012: szignifikancia
104 Monte-Carlo (MC) szimuláció, az SPBPR 308 esetben nagyobb 1.805-nél.
104 Monte-Carlo (MC) szimuláció, az SPBPR 308 esetben nagyobb 1.805-nél. 0.0051 Hz a hibás jel gyakorisága A valószínuség ˝ 0.01 Hz × 0.652 s × (1 + ln(6 s/64 ms)) = 0.037.
Nem volt villám/TGF.
EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben
100 éves az általános relativitáselmélet konferencia
22 / 28
GW150914 más elemzések Greiner+16: Fermi adatokban nincs jel (kevés detektort vesz!) Swift (Evans+16), Rhessi (Ripa+16,in prep.): nem látható jel Integral: Savchenko+16 76000
50 ms
250 ms
background
SPI-ACS count/s
74000
72000
70000
68000
66000
-10
-5 0 5 seconds since LVC trigger, UTC 2015-09-14T09:50:45.39
EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben
10
100 éves az általános relativitáselmélet konferencia
23 / 28
GW150914, Savchenko+16, Integral megfigyelés A webes adatok nem egyeznek a publikálttal! INTEGRAL SPI-ACS light curve arxiv 1602.04180, Fig.1. from http://isdc.unige.ch/~ savchenk/spiacs-online/spiacs.pl AND (-1.19 sec) shift! 74000
CPS
72000
70000
68000
66000 -15
-10 -5 0 5 10 time since 2015-09-14T09:50:45.39 (according to 1602.04180 Fig.1)
EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben
100 éves az általános relativitáselmélet konferencia
24 / 28
Összefoglalás
ADWO: hatékony eszköz tranziensek kereséséhez. ˝ és nem-triggerelt (rövid) GRB-k keresése. GW kisérok Több muhold, ˝ optimális kernel, optimális csatornaválasztás (nem konzervatív megközelítés)
TOVÁBBI GW MEGFIGYELÉSEK SZÜKSÉGESEK AZ ˝ AZONOSÍTÁSHOZ! EGYÉRTELMU
EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben
100 éves az általános relativitáselmélet konferencia
25 / 28
Csatorna súlyok
transient
e3
e4
e5
e6
e7
e8
GRB150522 GW150914 LVT151012
0.090 0.203 0.260
0.297 0.050 0.212
0.315 0.056 0.010
0.188 0.559 0.113
0.000 0.110 0.000
0.110 0.022 0.406
EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben
100 éves az általános relativitáselmélet konferencia
26 / 28
Detektor súlyok
transient
d0
d1
d2
d3
d4
d5
d6
GRB150522 GW150914 LVT151012
0.105 0.000 0.034
0.106 0.044 0.062
0.100 0.028 0.000
0.078 0.151 0.127
0.146 0.000 0.073
0.073 0.000 0.125
0.001 0.035 0.151
transient
d7
d8
d9
d10
d11
d12
d13
GRB150522 GW150914 LVT151012
0.031 0.045 0.000
0.000 0.228 0.000
0.021 0.090 0.010
0.009 0.138 0.234
0.050 0.162 0.162
0.113 0.000 0.000
0.167 0.077 0.022
100 éves az általános relativitáselmélet konferencia
27 / 28
EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben
Lehetséges GW-EM források
˝ evolúciója (Mandel+16), SN Perna+16: alacsony fémességu˝ kettos robbanás és akkréciós korong: 5 ms körüli burst.
EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben
100 éves az általános relativitáselmélet konferencia
28 / 28
