返回顶部

[经验分享] 【业余射电天文 天文理论篇3】处理氢谱线得到银河系全貌

[复制链接]
menshengjiedatiLv.4 显示全部楼层 发表于 2022-3-27 00:30 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题

马上注册,结交更多好友,享用更多功能,让你轻松玩转社区。

您需要 登录 才可以下载或查看,没有账号?加入牧夫(注明天文爱好者)

x
本帖最后由 menshengjiedati 于 2022-3-27 13:15 编辑

点击返回目录

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


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

                               
登录/注册后可看大图
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

                               
登录/注册后可看大图
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

                               
登录/注册后可看大图
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。

                               
登录/注册后可看大图
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 。

                               
登录/注册后可看大图
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。

                               
登录/注册后可看大图
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

                               
登录/注册后可看大图
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。

                               
登录/注册后可看大图
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

                               
登录/注册后可看大图
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。

                               
登录/注册后可看大图
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。

                               
登录/注册后可看大图
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。

                               
登录/注册后可看大图
图7.2:理论曲线


                               
登录/注册后可看大图
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

                               
登录/注册后可看大图
图8.1:直接运行Map.py得到的银河系旋臂图

尽管有些乱,但仍可以看出几条旋臂,对比图8.2,可以看出三条臂分别是英仙臂(黑色)、外臂(黑色)以及太阳所在的猎户臂(蓝色)。

                               
登录/注册后可看大图
图8.2:银河系悬臂

九.修正MilkyWay.csv文件


我们所需的只是频谱图上峰值对应径向速度,以及最大径向速度
下面我们看一下MilkyWay.csv里面的数据格式,如图9.1

                               
登录/注册后可看大图
图9.1:csv文件

第一列是观测目标(即一个观测文件)的编号,第二列是观测目标的赤经赤纬,第三列是观测目标的银经,第四列是观测目标的银维。

剩余的列便是峰值的对应径向速度和最大径向速度了。

其中每一行的最后一列就是最大径向速度,是用来求上面的银河系旋转曲线的,不用修改。

求峰值由于代码是用的求极值的算法,所以会求出一系列的极值峰,但是只有一两个才是真正的氢谱线峰,我们必须观察Pictures文件中生成的频谱图,去掉那些不是氢谱线的峰对应的径向速度。

图9.1中灰色的那一行对应图6.2中的频谱图,频谱图上标记红点的都注明了坐标,坐标第一个值是径向速度,第二个值是等效温度,我们只关注径向速度。

其中最右边的红点标注的是最大径向速度,即MilkyWay.csv中每一行的最后一列所对应的值,不必修改。观察频谱图后我们发现-133.712处不是峰值,故直接删去,得到如图9.2所示。


                               
登录/注册后可看大图
图9.2:修正csv文件

对于多数频谱应该只能看出一个峰,少数有两个峰。我们对观测的每个源对应的每一行都做如上处理,可得到修正后的MilkyWay.csv文件,大概如图图9.3所示

                               
登录/注册后可看大图
图9.3:修正后的csv文件

这时候候便可运行Map.py文件进行成像,得到图图9.4

                               
登录/注册后可看大图
图9.4:银河系旋臂图

黑色代表算法的唯一解,描绘出了英仙臂和外臂;蓝色和红色代表算法的两个解,个人认为蓝色是对的,即太阳所在的猎户臂。关于解的唯一性和不唯一性在氢谱线绘制银河的原理中有介绍。

注意:一个观测方向上有几个峰就能画出几个旋臂上的点,我们观测到的基本上都是双峰或者单峰,故在一个观测方向上只能画出一或两条旋臂上的点。



本版积分规则

爱牧夫天文科技(大连)有限公司是国家批准成立的正规光学科技仪器研发企业,还是全国着名的天文科技文化传播公司,旗下拥有中国最大最早的天文论坛网站——牧夫天文论坛,拥有会员近五万,日访问量超过22万,其背后有中国国家天文台、《中国国家地理》杂志社、世界天文权威杂志美国的《天空和望远镜》杂志等机构的支持。
  • 官方手机版

  • 微信公众号

  • ˊ
  • Powered by Discuz! X3.4 | Copyright © 2001-2021, 愛牧夫天文科技(大连)有限公司. |
  • | 营业执照 | |牧夫天文|辽ICP备19018387号 |辽公网安备 21021102000967号 QQ