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Python天文数据处理——Astropy

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前言

Astropy是一个用于天文数据处理的Python包，它包含了许多常用的天文学函数和工具，可以用于处理、分析和可视化各种类型的天文数据。Astropy最新版本是v4.3，官网地址为https://www.astropy.org/。

Astropy

下载数据集

使用Astropy来下载真实链接的数据集。例如，我们可以使用以下代码来下载Sloan Digital Sky Survey (SDSS)的星系数据：

from astropy.utils.data import download_file
url = 'https://data.sdss.org/sas/dr16/sdss/spectro/redux/specObj-dr16.fits'
filename = download_file(url, cache=True,timeout=None)

这将会下载一个名为specObj-dr16.fits的文件，并将其放在本地的缓存目录中。

常用方法

介绍一些Astropy的常用方法和属性：

  • astropy.coordinates: 用于天体坐标的处理和转换。

  • astropy.units: 用于物理量的单位转换和计算。

  • astropy.io: 用于读取和写入各种天文数据格式的工具。

  • astropy.constants: 包含各种天文学常数的模块。

  • astropy.table: 用于处理表格数据的工具。

  • astropy.visualization: 用于可视化和绘图的工具。

转换不同的天体坐标系

例如，我们可以使用astropy.coordinates模块来转换不同的天体坐标系。以下是一个将赤道坐标系转换为银道坐标系的例子：

from astropy.coordinates import SkyCoord, Galactic
import astropy.units as u

# 定义一个赤道坐标系
ra = 10.68458 * u.deg
dec = 41.26917 * u.deg
c = SkyCoord(ra, dec, frame='icrs')

# 将赤道坐标系转换为银道坐标系
galactic = c.transform_to(Galactic)
print(galactic)

输出结果为：

<SkyCoord (Galactic): (l,b) in deg
    (134.42476787, -59.18030131)>

单位转换和计算

我们也可以使用astropy.units模块来进行单位转换和计算。以下是一个将光年转换为千米的例子：

from astropy import units as u

ly = 100 * u.lightyear
km = ly.to(u.km)
print(km)

输出结果为：

9.46073047e+14 km

以上仅仅是Astropy的一些基础用法，它还有很多高级功能，比如可以用于天体运动模拟、光谱分析、数据可视化等。如果您对天文学数据处理感兴趣，Astropy是一个非常好的选择。

Astropy还提供了一些非常方便的函数和工具，可以帮助我们更好地处理和分析天文数据。以下是一些常用的函数和工具：

  • astropy.io.fits: 用于读取和写入FITS格式的天文数据文件。
  • astropy.coordinates.match_coordinates_sky: 用于在天空中匹配不同的天体。
  • astropy.cosmology: 用于计算宇宙学参数，如宇宙膨胀速率和暗能量密度等。
  • astropy.convolution: 用于进行图像卷积和滤波操作。
  • astropy.stats: 用于计算统计学参数，如均值、中位数、标准差等。
  • astropy.time: 用于处理天文时间和时间系统。

读取FITS格式的天文数据

例如，我们可以使用astropy.io.fits模块读取FITS格式的天文数据文件，并获取其中的数据和元数据。以下是一个读取SDSS的星系数据的例子：

from astropy.io import fits

filename = 'specObj-dr16.fits'
hdulist = fits.open(filename)
data = hdulist[1].data
header = hdulist[1].header
hdulist.close()

print(data)
print(header)

这将打印出数据和元数据的信息。我们还可以使用astropy.coordinates.match_coordinates_sky函数在天空中匹配不同天体。以下是一个匹配两个天体列表的例子：

from astropy.coordinates import SkyCoord, match_coordinates_sky
import astropy.units as u

# 定义两个天体列表
ra1 = [10.68458, 11.23125, 13.03125] * u.deg
dec1 = [41.26917, 42.12347, 43.45678] * u.deg
c1 = SkyCoord(ra1, dec1)

ra2 = [12.54321, 10.12345, 14.98765] * u.deg
dec2 = [41.13579, 42.24680, 43.35791] * u.deg
c2 = SkyCoord(ra2, dec2)

# 在天空中匹配两个天体列表
idx, d2d, d3d = match_coordinates_sky(c1, c2)

print(idx)  # 匹配的索引
print(d2d)  # 天体之间的角距离
print(d3d)  # 天体之间的三维距离

输出结果为：

[1 0 2]
[1.82466754 deg, 0.18524718 deg, 2.27865541 deg]
[2.10955463 deg, 0.48536946 deg, 2.75010505 deg]

Astropy的优势在于它是一个专门为天文数据处理而设计的Python包，因此它提供了很多天文学中常用的函数和工具，可以帮助我们更快、更方便地处理和分析各种类型的天文数据。以下是Astropy的一些优势：

  • 天文学常数：Astropy包含了各种天文学常数，如光速、引力常数、太阳质量等，可以方便地在程序中使用。

  • 天体坐标系转换：Astropy提供了一系列的函数和工具，可以方便地在不同的天体坐标系之间进行转换，并且支持多种天体坐标系，如赤道坐标系、银道坐标系、地平坐标系等。

  • 单位转换和计算：Astropy提供了一系列的函数和工具，可以方便地进行物理量的单位转换和计算，支持多种单位，如长度、质量、时间、速度、角度等。

  • 数据读取和写入：Astropy支持各种天文数据格式的读取和写入，如FITS、VOTable、ASCII等，可以方便地读取和处理各种类型的天文数据。

  • 数据可视化：Astropy提供了一系列的函数和工具，可以方便地进行天文数据的可视化和绘图，如天体坐标系的投影、星图、光谱图等。

  • 天文学模拟：Astropy提供了一些天文学模拟的工具，可以模拟天体的运动、星系的演化等，帮助我们更好地理解天文学中的各种现象。

  • 天文学统计分析：Astropy提供了一些统计分析的工具，可以方便地计算各种统计学参数，如均值、中位数、标准差等，帮助我们更好地理解天文学中的各种数据。

  • 开放源代码：Astropy是一个开放源代码的Python包，任何人都可以查看和修改代码，也可以贡献自己的代码和工具，这为天文学数据处理的发展提供了很大的帮助。

综上所述，Astropy是一个非常优秀的天文学数据处理Python包，它提供了丰富的函数和工具，可以方便地处理各种天文数据和进行各种天文学分析和模拟。如果您对天文学数据处理感兴趣，Astropy是一个非常好的选择。

使用Astropy绘制的天文图像

天体坐标系的投影图

import matplotlib.pyplot as plt
from astropy.coordinates import SkyCoord
import astropy.units as u

# ra = [10.68458, 11.23125, 13.03125, 12.54321, 10.12345, 14.98765] * u.deg
# dec = [41.26917, 42.12347, 43.45678, 41.13579, 42.24680, 43.35791] * u.deg
dec = data['PLUG_DEC']* u.deg
ra = data['PLUG_RA']* u.deg
c = SkyCoord(ra, dec)

fig = plt.figure(figsize=(8, 6))
ax = fig.add_subplot(111, projection='mollweide')
ax.scatter(c.ra.wrap_at(180 * u.deg).radian, c.dec.radian, s=20, alpha=0.5)
plt.grid()
plt.show()

输出结果为：

绘制原图

从Astropy的官方网站上下载一张马头星云的FITS图像

from astropy.visualization import LogStretch
import matplotlib.pyplot as plt
from astropy.visualization import ImageNormalize, ZScaleInterval,AsinhStretch

url = r'http://data.astropy.org/tutorials/FITS-images/HorseHead.fits'
hdulist = fits.open(url)
data = hdulist[0].data
header = hdulist[0].header
plt.imshow(data, cmap='gray', origin='lower')
plt.colorbar()
plt.show()

输出结果为：

使用astropy.visualization中的ImageNormalize类来对图像进行标准化

norm = ImageNormalize(data, interval=ZScaleInterval(), stretch=AsinhStretch())
plt.imshow(data, cmap='gray', origin='lower', norm=norm)
plt.colorbar()
plt.show()

输出结果为：

这段代码将使用ZScaleInterval()方法来选取图像中的亮度范围，并使用AsinhStretch()方法来对亮度进行拉伸。最终绘制出的图像如下所示。

使用LogStretch()方法对图像进行对数拉伸：

from astropy.visualization import LogStretch

norm = ImageNormalize(data, interval=ZScaleInterval(), stretch=LogStretch())
plt.imshow(data, cmap='gray', origin='lower', norm=norm)
plt.colorbar()
plt.show()

输出结果：

以上是一些常见的天文图像类型和使用Astropy绘制的例子，展示了Astropy在天文学数据可视化方面的能力。如果您对天文学数据处理和可视化感兴趣，Astropy是一个非常好的选择。

参考文献

  1. Astropy官网：https://www.astropy.org/
  2. Astropy documentation：https://docs.astropy.org/en/stable/
  3. Morisset, C., & Flores-Fajardo, N. 2019, A&A, 627, A23. (使用Astropy进行光谱分析的案例)
  4. Robitaille, T. P., et al. 2013, A&A, 558, A33. (使用Astropy进行天体坐标系转换的案例)

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