Elektromágneses tranziensek keresése a Fermi műhold 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 (Ondřejov 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 időfelbontással minden detektorra CTIME adatok 2012. november 26 óta folyamatosan. Effektív felület irány- és energiafüggő (detector response matrix, DRM) - csak GRB idején adják meg! 120 140 ) 2 Photopeak Effective Area (cm 100 80 60 40 20 32 kev simulated measured 279 kev simulated measured 662 kev simulated measured ) 2 Photopeak Effective Area (cm 120 100 80 60 40 279 kev simulated measured 898 kev simulated measured 1836 kev simulated measured 0-200 -150-100 -50 0 50 100 150 200 Source Position (degrees) Figure 12. Angular dependence of the NaI detector effective area. (A color version of this f gure is available in the online journal.) 20-200 -150-100 -50 0 50 100 150 200 Source Position (degrees) 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 lehetségesből). 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 közelítő időt. Szokásos eljárás: háttér+spektrális modell illesztve a DRM-el a binnelt beütésszámokra. De: nem ismerjük a DRM-et! Legegyszerűbb megoldás: adjuk össze minden detektor és minden csatorna jelét! Ez nagyon zajos! Optimális súlyozás: csak az erős jeleket adjuk össze! De melyek ezek? e i energiacsatorna- és d j nem-negatív detektorsúlyok ( e i = 1, d j = 1). EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben 100 éves az általános relativitáselmélet konferencia 7 / 28
Automatized Detector Weight Optimization (ADWO) Legyen C ij (t) a háttérrel korrigált intenzitás, ekkor a kompozit jel: S(t) = i,j e id j C ij (t) S(t) a jel maximum a keresési tartományban, B(t) a hattér maximuma (a keresési tartományon kívül). Kettő 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 e 1...e 8 energiacsatornák (Connaughton+16-nak megfelelően): 4.4, 12, 27, 50, 100, 290, 540, 980 és 2000 kev Alacsonyenergiás részt nem vizsgáltuk: csak a 27-2000 kev tartomány (e 3...e 8 ) marad. Na(I) és BGO egyszerre, de: BGO e 3 e 4 nincsen: 6 14 2 2 = 80 idősor. 5.8 ms átlagos foton-foton követési idő 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 1300 counts/sec 1200 1100 1000 900 800-1000 -800-600 -400-200 0 200 400 600 800 1000 time Most: rövid jeleket keresünk, az időskála rövid: hatodrendű 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. T 90 = 1.02± 0.58s, 2.13± 0.12 10 7 erg/cm 2 fluencia (Connaughton+16-hoz hasonló) ADWO: ( 137, 476)s CTIME adat a triggerhez képest, 6s ablak a trigger körül, SPBPR=3.12 Signal Peak to Background Peak Ratio 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 10 4 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 valószínűség 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 előtt). 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 1000 4.4-12keV 4400 12-27keV 4200 900 4000 Counts per Second 800 2800 27-50keV 2600 2400 2200 1800 1700 1600 1500 100-290keV 1400 540-980keV 600 3800 3600 2100 50-100keV 2000 1900 1800 1700 1600 500 290-540keV 400 600 980-2000keV 500 500 400 10 5 0 5 10 10 5 0 5 10 Seconds from GW T0 Fig. 5. Detectedcount ratessummedover NaI detectorsin8energy channels, asafunctionof time relative to the start of the GW event GW150914. Shading highlights the interval containing EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben 100 éves az általános relativitáselmélet konferencia 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 400 2.1-4.7MeV Counts per Second 800 700 100 50 4.7-9.9MeV 300 50 9.9-22MeV 22-38MeV 200 38-50MeV 50 100 10 5 0 5 10 10 5 0 5 10 Seconds from GW T0 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 EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben 100 éves az általános relativitáselmélet konferencia 17 / 28
GW150914: szignifikancia 10 4 Monte-Carlo (MC) szimuláció, az SPBPR 86 esetben nagyobb 1.911-nél. 0.0014 Hz a hibás jel gyakorisága A valószínűség 2.8 10 3 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, műholdas 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 valószínűség. Mi a helyes eljárás - időbeli 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 1 27-290keV weigths (e 3 +e 4 +e 5 ) 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 GRB150522 LVT151012 GW150914 1 2 3 4 5 6 Signal/Background Peak Ratio EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben 100 éves az általános relativitáselmélet konferencia 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 10 4 Monte-Carlo (MC) szimuláció, az SPBPR 308 esetben nagyobb 1.805-nél. 10 4 Monte-Carlo (MC) szimuláció, az SPBPR 308 esetben nagyobb 1.805-nél. 0.0051 Hz a hibás jel gyakorisága A valószínűség 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 74000 SPI-ACS count/s 72000 70000 68000 66000-10 -5 0 5 10 seconds since LVC trigger, UTC 2015-09-14T09:50:45.39 EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben 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 72000 CPS 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. GW kisérők és nem-triggerelt (rövid) GRB-k keresése. Több műhold, optimális kernel, optimális csatornaválasztás (nem konzervatív megközelítés) TOVÁBBI GW MEGFIGYELÉSEK SZÜKSÉGESEK AZ EGYÉRTELMŰ AZONOSÍTÁSHOZ! EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben 100 éves az általános relativitáselmélet konferencia 25 / 28
Csatorna súlyok transient e 3 e 4 e 5 e 6 e 7 e 8 GRB150522 0.090 0.297 0.315 0.188 0.000 0.110 GW150914 0.203 0.050 0.056 0.559 0.110 0.022 LVT151012 0.260 0.212 0.010 0.113 0.000 0.406 EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben 100 éves az általános relativitáselmélet konferencia 26 / 28
Detektor súlyok transient d 0 d 1 d 2 d 3 d 4 d 5 d 6 GRB150522 0.105 0.106 0.100 0.078 0.146 0.073 0.001 GW150914 0.000 0.044 0.028 0.151 0.000 0.000 0.035 LVT151012 0.034 0.062 0.000 0.127 0.073 0.125 0.151 transient d 7 d 8 d 9 d 10 d 11 d 12 d 13 GRB150522 0.031 0.000 0.021 0.009 0.050 0.113 0.167 GW150914 0.045 0.228 0.090 0.138 0.162 0.000 0.077 LVT151012 0.000 0.000 0.010 0.234 0.162 0.000 0.022 EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben 100 éves az általános relativitáselmélet konferencia 27 / 28
Lehetséges GW-EM források Perna+16: alacsony fémességű kettős evolúciója (Mandel+16), SN robbanás és akkréciós korong: 5 ms körüli burst. EM tranziensek keresése a Fermi megfigyeléseiben 100 éves az általános relativitáselmélet konferencia 28 / 28