From solar wind to blazars: analyzing time series with horizontal visibility graphs

Abstract

In the case of astronomical observations, it is useful to work with new methods that are effective to complement the characterization of systems for which only limi ted information is available. The generality of the Horizontal Visibility Graph method on time series allows us to cover two systems of interest in this thesis: solar wind and blazars. The solar wind corresponds to the continuation of the solar corona where its plasma expands in space with velocities between ≈ 250–800 km s−1 . On the other hand, blazars are a type of active galactic nuclei that are very luminous and variable throughout the electromagnetic spectrum. First, we tested the algorithm on Particle In Cell simulations of magnetized plasma. Second, we worked on solar wind magne tic fluctuations using Wind satellite measurements. Third, we worked on blazar light curves, to characterize different sources monitored with the OVRO 40m telescope in the 15 GHz radio band. We model the information presented in time series for each object of study as a complex network in the search for a new study perspective for astrophysical systems. The goal is to explore their variability and dissipative cha racteristics by obtaining the Kullback-Leibler Divergence, a measure of the degree of irreversibility between directed degree distributions, and the critical exponent of the undirected degree distribution, a measure that recognizes between correlated sto chastic and uncorrelated chaotic time series. In the case of plasma simulations, both complexity parameters are related to the shape of the velocity distribution function. The Kullback-Leibler Divergence proves to be sensitive enough to detect differences between the slow and fast solar wind, while the critical exponent could play a role in distinguishing between spectral classes of blazars.

Frente a observaciones astron´omicas resulta ´util trabajar con nuevos m´etodos que sean efectivos para complementar la caracterizaci´on de sistemas de los que s´olo se cuenta con informaci´on reducida. La generalidad del m´etodo Horizontal Visibility Graph sobre series de tiempo nos permite abarcar dos sistemas de inter´es en esta tesis: viento solar y blazares. El viento solar corresponde a la continuaci´on de la corona so lar donde su plasma se expande en el espacio con velocidades entre ≈ 250–800 km s−1 . Por otro lado, los blazares son un tipo de n´ucleos gal´acticos activos muy luminosos y variables en todo el espectro electromagn´etico. Primero, probamos el algoritmo en simulaciones Particle in Cell de plasma magnetizado. Segundo, trabajamos sobre fluctuaciones magn´eticas de viento solar utilizando las mediciones del sat´elite Wind. Y tercero, sobre las curvas de luz de blazares, para caracterizar distintas fuentes monitoreadas con el telescopio OVRO 40m en la banda de radio a 15 GHz. Modela mos la informaci´on presentada en series de tiempo de cada objeto de estudio como una red compleja en la b´usqueda de una nueva perspectiva de estudio para sistemas astrof´ısicos. El objetivo es explorar en torno a su variabilidad y sus caracter´ısticas disipativas a partir de la obtenci´on de la Divergencia Kullback-Leibler, una medida de la irreversibilidad entre las distribuciones de grado de la red dirigida, y del ex ponente cr´ıtico de la distribuci´on de grado de la red no dirigida, una medida que reconoce entre series de tiempo estoc´asticas correlacionadas y ca´oticas no correlacio nadas. Ambos par´ametros de complejidad est´an relacionados con la distribuci´on de la velocidad de las simulaciones de plasma. La Divergencia Kullback-Leibler demuestra ser lo suficientemente sensible como para detectar diferencias entre el viento solar lento y el r´apido. Mientras, el exponente cr´ıtico podr´ıa tener un rol en la distinci´on de las subclases de blazares.