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标题: 【业余射电天文天文理论篇3】处理氢谱线得到银河系全貌 [打印本页]

作者: menshengjiedati 时间: 2022-3-27 00:30
标题: 【业余射电天文天文理论篇3】处理氢谱线得到银河系全貌
本帖最后由 menshengjiedati 于 2022-3-27 13:15 编辑

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零.原理部分

关于处理氢谱线绘制银河旋转曲线的原理部分可见于【射电望远镜】绘制银河系旋转曲线

当然，也可以直接略过，用代码来处理数据

代码github地址：https://github.com/BI6MHT/MilkyWay

代码gitee地址：https://gitee.com/BI6MHT/milky-way

一.文件命名

为了方便数据的处理，文件命名如图[color=var(--theme-color,#42b983)]图1所示，即'赤经赤纬'，注意空格；在此举一个命名的例子：

17h04m为赤经，当然精确到s也是可以的，比如17h04m03s

-41d为赤纬，也可精确到小数点后，比如-41.23d

图1：文件命名

二.数据格式

通过SDRSharp的IF average进行积分平均后的频谱txt文件格式如图2所示

第一行与积分平均的次数有关，不用考虑

第一列是观测频率，单位是MHz

第二列是信号强度，单位应该是电压，即V

图2：数据格式

三.观测时间和地点的确定

Main.py文件中代码是根据文件的修改时间来返回UTC时间的，如]图3.1所示

图3.1：Main.py文件中观测时间的确定

文本文件（频谱文件）有创建时间，修改时间，访问时间三种时间属性，如图3.2；文件重命名不会改变任意一种时间属性；硬盘上进行拷贝的话应该会改变创建和访问时间，但是修改时间不会变动。

图3.2：文件时间属性

在GitHub或者Gitee上下载代码后，会发现一个Data.zip的压缩文件，示例的频谱数据都在这个压缩包中，大家下载后可以解压为目录下同名文件夹，如图3.3。然而仍然存在一个问题，如果用windows自带的解压，解压后文件的创建时间才是观测时间，如果用我电脑上Bandzip这个解压工具进行解压，解压后文件的修改时间才是观测时间。于是在此便默认大家都用Win10自带的解压，创建时间才是观测时间。

图3.3：把Data解压到同名文件夹

当然，具体是哪个时间属性才是观测时间，可以观察一下文件的属性，如果有一个时间属性不同文件时不同的，那应该便是观测时间了。如果你想以文件的修改时间为观测时间，可以将图3.1的LocalTime = os.stat(obs_Dir+obs_Source+'.txt').st_ctime中的 ct_mtime改为st_mtime。

观测地点可在Main.py文件中进行修改，如图3.4所示。obs_Site = '110.81285 32.59175 40'中的110.81285代表经度，32.59175代表纬度，40代表海拔为40m。

图3.4：观测地点

四.示例数据来源

在湖北省十堰市观测的氢谱线数据，利用赤道仪进行天体定位，天线为栅格抛物面，该天线在曾在B站“从零开始的业余射电天文”系列中介绍过，见于图4.1，

点击此转到视频链接；

图4.1：B站视频

其中放大滤波器没有采用视频中推荐的，而采用了咸鱼某款，如图蓝色板子，1420MHz具有40-50dB的增益，噪声系数也很低。

五.代码适用范围

代旋转曲线代码适合处理在银纬0°附近，银经0°到90°和270°到360°的观测到的氢谱线。

旋臂成像代码可以处理在银纬0°附近，所有银经范围内的氢谱线。

在银纬0°附近，不同银经对应的赤经赤纬如图5

第一列为银经，第二列为赤经，第三列为赤纬。

图5：推荐扫描点坐标

六.python的使用

在运行代码前，请确保你的python库中含有“astropy，numpy ，matplotlib，pandas，scipy”这五个包。

或者直接安装anaconda这个软件，里面集成了很多科学计算的包，但没有astropy这个包，不过在anaconda可以手动安装这个包

如果在anaconda自带的编译器spyder中直接运行Main.py文件，当它发现缺少astropy这个包时，会自动下载。不过默认的包下载地址应该在国外，所以下载速度有些慢

python安装包或者安装anaconda的教程可见于B站，或者直接使用搜索引擎

全部的代码文件如图6.1所示

图6.1：全部代码

所有的频谱txt文件均放于Data，运行Main.py文件

可以得到氢谱线相对于日心的径向速度 vs 谱线的等效温度(即强度) 的频谱图，如图6.2所示；上方的图是未经平滑的频谱，下方是平滑后的频谱；最上方的文字代表了观测目标的赤经赤纬以及UTC观测时间。所有生成的频谱图均存放在Pictures文件中，以观测目标所在银经进行命名。

图6.2：频谱示例

同时也可以得到一个名为MilkyWay.csv的excel文件，里面储存着关于频谱的赤经赤纬，银经银纬，峰值处的径向速度，最大径向速度，不过暂时不用这些。

七.银河系旋转曲线的绘制，有暗物质存在？

在确保已经成功运行过Main.py文件的前提下，直接运行rocurve.py ，便可以得到银河系旋转曲线，如图7.1所示。其中横坐标是氢分子团距离银心的距离，纵坐标是绕银心转动的速度。

图7.1：银河系旋转曲线

理论上的旋转曲线应当如图7.2或者7.3所示，即在超过一定距离后，天体运行遵循开普勒第三定律，转动速度不断下降。

图7.2：理论曲线

而从实际测量的曲线来看，转动速度在核心区陡峭上升，因为这里时星系质量集中的区域，转动规律类似于刚体转动速度在边缘区并没有随距离的增加而下降，反而保持着平坦不变的趋势

对这种现象的解释如下：

银河系有很大一部分质量不在星系的中心区域，而在边缘区以外很远的银晕中。那里几乎没有什么恒星，可观测到的发光物也很少。大多数的质量属于不发光的暗物质，即那些不发出任何辐射因而探测不到的物质。

然而根据在背景介绍中的绘制银河系旋转曲线的几何关系，我们选取，即最大径向速度的标准不是很准确，得出的图7.1并不能得出暗物质的存在，因为在更远处转动速度仍然可以是衰减的

八.银河系旋臂的绘制，银河系存在旋臂结构？

在绘制银河系旋臂前，需要对MilkyWay.csv中的数据略加修改。如果不加以修改，在确保已经成功运行过Main.py文件的前提下，直接运行Map.py，可得到图8.1，其中Q1,Q2,Q3,Q4分别代表银河系的第1,2,3,4象限，就是把银河系平面以太阳为中心，分成四个象限；C代表银河系的中心，Sun代表太阳；单位kpc中的pc即秒差距，是距离单位，k即1000之意