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处理银河系中性氢谱线的数据,可以得到银河系的悬臂结构图和旋转曲线,README.md文档中给出了观测设备推荐和代码的使用过程

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BI6MHT/MilkyWay

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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

声明:代码的算法不太精确,估计只能看个大概

一.文件命名

为了方便数据的处理,文件命名如图1所示,即'赤经 赤纬',注意空格

例如17h4m为赤经,当然精确到s也是可以的,比如17h4m3s

41d为赤纬,也可精确到小数点后,比如41.23214d

文件命名

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

数据格式

图2:数据格式

三.观测时间和地点

Main.py文件中代码是根据文件的创建时间来返回UTC时间的,如图3.1所示

观测时间

图3.1:观测时间

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。

文件时间属性

图3.2:文件时间属性

然而把数据直接上传到gitee仓库中后,再下载回来的话,文本文件所有时间属性就都变为下载时刻的时间了;所以便把数据压缩到了Data.zip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

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3.1LocalTime = os.stat(obs_Dir+obs_Source+'.txt').st_mtime中的 st_mtime改为st_ctime

把Data解压到同名文件夹

图3.3:把Data解压到同名文件夹

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。

观测地点

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

B站视频

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4.2所示的蓝色板子,1420MHz具有40-50dB的增益,噪声系数也很低。

咸鱼卖家

图4.2:咸鱼卖家

五.代码适用范围

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。

推荐扫描点坐标

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

全部代码

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Images文件中,以观测目标所在银经进行命名。

频谱示例

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。

银河系旋转曲线

图7.1:银河系旋转曲线

理论上的旋转曲线应当如图7.2中的红线或者7.3粉红虚线所示,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。

理论曲线

图7.2:理论曲线

理论曲线

图7.3: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。

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

银河系旋臂图1

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,可以看出四条臂分别是英仙臂、外臂以及太阳所在的猎户臂

银河系

图8.2:银河系旋臂

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

csv文件

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Images文件夹中生成的频谱图,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。

修正csv文件

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

修正csv文件1

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9.4

银河系旋臂图2

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。

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。

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