José Miguel Ladino Méndez - Maestría en Ciencias Astronomía - UNAL

LACoNGA Physics - Ciencia de Datos - Ejercicios-clase-03-datos

Ejercicio No. 1

• Investigue sobre el diagrama de Hertzprung-Russell, una herramienta muy potente en astronomia, y describa un poco al respecto para darle contexto al resto de la tarea
• El objetivo es generar un diagrama HR lo más parecido al de esta referencia. No lucirá idéntico por que no se usarán exactamente los mismos datos, y las unidades pueden ser ligeramente distinta. La idea sí es dejar su figura lo más parecida a la de referencia en el estilo: colores, escalas en los ejes, tamaño de los marcadores, leyendas, textos en el gráfico, etc.
• Los datos para crear la figura están en la carpeta Data. Cada tabla contiene las informaciones sobre un tipo de estrellas según indican los nombres de archivo. La información viene en 3 columnas: luminosidad en luminosidades solares, Temperatura en Kelvin y Radio de la estrella en unidades arbitrarias
• La idea es que cada estrella en el gráfico tenga un color representativo de su temperatura (que estrellas frías son rojas y estrellas calientes son azules) y que el tamaño del símbolo sea representativo del tamaño de cada estrella para diferenciar entre enanas, gigantes y estrellas de secuencia principal
• Busque que su código sea semi automático; es indispensable leer los datos desde el propio programa, no copiarlos a mano, y hallar una forma de obtener los tamaños y colores sin declararlos uno a uno ## Solución:

Diagrama de Hertzprung-Russell (diagrama H-R)

"El diagrama de Hertzprung-Russell es como una tabla periódica,pero de las estrellas".

Fue realizado por primera vez en 1905 por el astrónomo Ejnar Hertzprung, luego de manera independiente en 1913 por Henry Norris Russell. El diagrama de Hertzsprung mostraba la luminosidad de las estrellas en función de su color, mientras que el realizado por Russell mostraba la luminosidad en función del tipo espectral. Con el tiempo se mostro que ambos diagramas son equivalentes. [2]

De manera usual, el eje horizontal muestra como a medida que aumenta la temperatura de una estrella, su color también cambia, yendo desde el rojo a un tono azulado, pasando antes por tonos naranjas y blancos. El eje vertical muestra la luminosidad tomando como referencia al Sol, facilitando así una identificación intuitiva de la luminosidad del resto de estrellas. [1]

El diagrama muestra que las estrellas tienden a encontrarse agrupadas en algunas zonas específicas del mismo. La zona predominante es la diagonal que va de la región superior izquierda (caliente y brillante) a la región inferior derecha (fría y menos brillante), esta región se denomina secuencia principal. El factor común de las estrellas que forman parte de esta secuencia es que todas producen energía mediante la fusión de hidrógeno para producir helio en su interior. En relación con la masa, las estrellas de mayor masa, las gigantes azules, se sitúan en la zona superior izquierda (zona caliente y brillante), mientras que las estrellas de menor masa, las enanas rojas, se encuentran a la derecha y abajo (zona fría y menos brillante). En la esquina inferior izquierda se encuentran las enanas blancas, y en la esquina superior derecha de la secuencia principal se encuentran las gigantes rojas y las supergigantes. [2]

• [1] https://naukas.com/2011/09/08/cien-anos-del-diagrama-de-hertzsprung-russell-el-grafico-que-organizo-las-estrellas/
• [2] http://astro.org.sv/wp-content/uploads/2015/07/Charla-Diagrama-de-Hertzprung-Russell-1.pdf

import pandas as pd #importando librería pandas para leer los datos 

dwarfs = pd.read_csv('data/dwarfs.csv')
giants = pd.read_csv('data/giants.txt', sep=' ') # sep=' ' para leer correctamente las filas y columnas
ms = pd.read_csv('data/ms.csv')
supergiants = pd.read_csv('data/supergiants.txt', sep=' ')

dataframes = pd.concat([dwarfs,giants,ms,supergiants]) # para concatenar en un solo dataframe 
#dataframes.to_csv(r'export_dataframe.csv')

import matplotlib.pyplot as plt #importando librería matplotlib.pyplot para graficar y editar grafico

#separando los datos de cada columna sin el encabezado e indexado

temperatura = dataframes.temp
luminosidad = dataframes.lum
Restrellas = dataframes.radius

#iniciando las configuraciones de la figura:
#tamaño, titulo, labels, limimtes de ejes y escala logarítmica en el eje vertical

plt.figure(figsize = (15,10))
plt.title('Diagrama Hertzsprung - Russell\n', fontsize = 20, fontweight = 'bold')
plt.xlabel('Temperatura (K)', fontsize=12, fontweight = 'bold')
plt.ylabel('Luminosidad ($L_{Sol}$)', fontsize = 12, fontweight = 'bold')
plt.xlim(14000, 2500)
plt.ylim(0.00001,100000000)
plt.yscale('log')

#insertando textos en sus respectivas regiones con su edición.

plt.text(12000, 9000000, 'Gigantes\n  azules', fontsize = 14, fontweight = 'bold')
plt.text(5200, 9000000, 'Supergigantes\n       rojas', fontsize = 14, fontweight = 'bold')
plt.text(5200, 500, 'Gigantes\n    rojas', fontsize = 14, fontweight = 'bold')
plt.text(12000, 8, 'Secuencia\n principal', fontsize = 14, fontweight = 'bold')
plt.text(5200, 0.005, 'Secuencia\n principal', fontsize = 14, fontweight = 'bold')
plt.text(9500, 0.005, 'Enanas\nblancas', fontsize = 14, fontweight = 'bold')

#insertando puntos con su determinada edicion de tamaño, color y contorno. 

plt.scatter(temperatura, luminosidad, Restrellas*25, temperatura, edgecolors = 'k', cmap = 'RdYlBu')
#plt.colorbar() # para ver barra de colores de convensión en función de la temperatura
plt.show()

Ejercicio No. 2

• Después de tener un diseño de base para el ejercicio No. 1, en este ejercicio se pide generar una animación, en la cual se reproduzca el mismo gráfico de antes pero las estrellas vayan apareciendo progresivamente ## Solución:

from matplotlib.animation import FuncAnimation #importando FuncAnimation para animación

#iniciando las configuraciones de la figura:
#tamaño, titulo, labels, limimtes de ejes y escala logarítmica en el eje vertical

graf = plt.figure(figsize=(15,10)) 
plt.title('Diagrama Hertzsprung - Russell\n', fontsize = 20, fontweight = 'bold')
plt.xlabel('Temperatura (K)', fontsize=12, fontweight = 'bold')
plt.ylabel('Luminosidad ($L_{Sol}$)', fontsize = 12, fontweight = 'bold')
plt.xlim(14000, 2500)
plt.ylim(0.00001,100000000)
plt.yscale('log')

#definiendo la función gif para la animación con entrada t el cual será el iterador del gif

def gif(t):
    if any:   # condicional para insertar los puntos iteradamente, 
        #retorna true si alguno de los elementos en t es true 
        x=[]
        y=[]  
        R=[]
        x.append(dataframes.temp.iloc[:t])  #añadiendo a listas los datos de cada columna,
        # usando iloc para tomar los datos en base a la posición segun fila y columna
        y.append(dataframes.lum.iloc[:t])
        R.append(dataframes.radius.iloc[:t]*25) #*25 para aumentar visibilidad de estrellas
        z = dataframes.temp.iloc[:t] 
    s = plt.scatter(x, y , R, z, cmap='RdYlBu', edgecolors='k') 
    if t > len(dataframes): #condicional para insertar los textos a cada zona correspondiente al final de
        #aparecer todas las estrellas
        plt.text(12000, 9000000, 'Gigantes\n  azules', fontsize = 14, fontweight = 'bold')
        plt.text(5200, 9000000, 'Supergigantes\n       rojas', fontsize = 14, fontweight = 'bold')
        plt.text(5200, 500, 'Gigantes\n    rojas', fontsize = 14, fontweight = 'bold')
        plt.text(12000, 8, 'Secuencia\n principal', fontsize = 14, fontweight = 'bold')
        plt.text(5200, 0.005, 'Secuencia\n principal', fontsize = 14, fontweight = 'bold')
        plt.text(9500, 0.005, 'Enanas\nblancas', fontsize = 14, fontweight = 'bold')
    return s

anim= FuncAnimation(graf,gif,frames=len(dataframes)+25, interval=200) #aplicación de la función de animación
#+25 para ver figura finalizada 

anim.save('DiagramaH-R.gif') #Animación guardada
plt.close(graf)

MovieWriter ffmpeg unavailable; using Pillow instead.

• Nota: si la animación no se visualiza en la celda Markdown siguiente, porfavor ver animación en 'DiagramaH-R.gif'