Jedną z rzeczy, która sprawia, że Python jest tak potężny jest to, że posiada moduły prawie na wszystko. W tym artykule omówię Astropy, który został opracowany przez Space Telescope Science Institute. Narzędzie zajmuje się między innymi wykonywaniem astronomicznych obliczeń przetwarzania obrazu.

Ponieważ mówimy o programowaniu w języku Python, można ten moduł zainstalować albo za pomocą komendy pip lub easy_install. Większość dystrybucji Linuksa powinno być wyposażonych w pakeit Astropy.

Przykładowo w systemach opartych na Debianie, wystarczy wydać polecenie:

sudo apt-get install python-astropy

Istnieje również oddzielny pakiet python-astropy-doc, który zawiera dodatkową dokumentację Astropy. Ponieważ jest on dość dużym systemem, został podzielony na sub-pakiety. Powinno to być znane każdemu, kto pracował wcześniej z oprogramowaniem, takim jak scipy lub NumPy.

Tak więc użycie następującego polecenia, może nie być za bardzo przydatne:

import astropy

Bardziej potrzebne będzie zaimportowanie sub-pakietów:

from astropy.io import fits

Istnieją sub-pakiety do obsługi plików IO, kosmologicznych obliczeń oraz koordynacji systemów i wiele wiele innych. Postaram się wprowadzić Państwa do niektórych z dostępnych funkcjonalności.

Najpierw przyjrzyjmy się, jak sobie radzić z plikami danych, ich wspólny format używany w astrofizyce i astronomii jest formatem FITS. Pakiet pyFITS dla Pythona został napisany dla odczytu i zapisu owych plików. Kod ten jest aktualnie taki sam jak ten z sub-pakietów astropy.io.fits, więc można go używać w taki sam sposób.

from astropy.io import fits as pyfits

W tej formie można korzystać z istniejącego kodu, stosowanego do zarządzania plikami i to bez konieczności dodawania nowych zmian. Pierwszą rzeczą, którą trzeba zrobić to otworzyć plik danych z:

from astropy.io import fits
hdulist = fits.open("My_File.fit")

To zwraca obiekt, który zachowuje się jak lista. Każdy element zwróconego obiektu mapy do nagłówków danych w pliku. Można uzyskać więcej informacji na temat pliku, za pomocą polecenia:

hdulist.info()

Każdy z poszczególnych elementów ma część nagłówka i danych. Można z nich korzystać, aby zobaczyć szczegółowe informacje na temat danych, które znajdują się w przetwarzaniu. Oprócz funkcji bibliotecznych, Astropy zawiera szereg narzędzi wiersza polecenia do pracy z plikami FITS, np. nagłówki można sprawdzić za pomocą fitsheader.

Również można sprawdzić swój FITS z fitscheck, oraz znaleźć różnice między dwoma plikami z fitsdiff. Częstym procesem obliczeniowym w astronomii jest przetwarzanie obrazu. Splot sub-pakietu zawiera dwa rodzaje operacji: bezpośredni i FFT,można zrobić jedno-, dwu- i trójwymiarowe sploty. Pod pakiet wizualizacji zajmuje się bardziej podstawowym przetwarzaniem obrazu, takim jak normalizacja i rozciąganie. Można połączyć kilka transformacji bardzo łatwo, operator + jest przeciążony, aby zastosować te, które są dodane razem w cyklu, polecenie powinno być wpisane w ten sposób:

transform = SqrtStretch() + PercentileInterval(90.)

I daje nam to nową funkcje, przekształcenie, które łączy dwie oddzielne przemiany w jednym etapie. Ta część sub-pakietu zawiera również skrypt, który może zrobić konwersje pomiędzy dwoma różnymi formatami plików.

Kolejnym typowym zadaniem obliczeniowym w astronomii są statystyki oparte na obserwacji. Astropy zapewnia sub-pakiet o nazwie stats, chociaż sub-pakiet scipy.stats zawiera wiele funkcji, niektórych z nich brakuje, więc astropy-stats wypełnia te luki.

Kiedy już dane są załadowane, można użyć pod pakietu do modelowania, przykładowo modelowanie 1D i 2D z astropy.modeling, obejmuje dopasowanie krzywej w funkcjonalności, gdzie można zrobić dopasowanie funkcji liniowej i nieliniowej. Nie ma wbudowanej funkcji, aby móc dopasować krzywe Gaussa oraz wielomiany, ta możliwość montażu jest obsługiwana z metody najmniejszych kwadratów. W wersji 1.0 można budować złożone modele poprzez łączenie dotychczasowych modeli z operatorami arytmetycznymi.

Gdy wszystko już jest gotowe do tego aby móc robić obliczenia, należy użyć stałych, zamiast zapamiętywać je i wykorzystywać z potencjalnymi literami, Astropy zawiera kompletną listę wszystkich standardowych stałych naukowych, które będą potrzebne podczas wykonywania pracy numerycznej. Można zaimplementować całą listę z:

from astropy import constants

Jeżeli potrzeba jest użycia tylko kilku z nich, to można bardzo szybko zaimportować je z tego:

from astropy.constants import c

Naprawdę świetną sprawą o stałych tych jest to, że są one w rzeczywistości obiektami “Quantity”. Oznacza to zmianę jednostek, używa się to za pomocą polecenia:

c.to('km/s')

Jest to bardzo powszechne, można użyć jednostek CGS z c.cgs. Istnieją również dwa sub-pakiety do obsługi układów współrzędnych, systemy układu współrzędnych astronomicznych są obsługiwane przez sub-pakiet układu współrzędnych, systemy układu współrzędnych są obsługiwane poprzez sub-pakiet wcs. W sub-pakiecie tym, głównym obiektem jest SkyCoord. Metody w nim zawarte zajmują się konwersją pomiędzy układami współrzędnych, oraz obliczaniem odległości od zadanego punktu do źródła w danym systemie współrzędnych. Sub-pakiet wcs pozwala na mapowanie danych z pliku na układach tych “rzeczywistego świata”, w celu ich poprawnej analizy. Zawiera to funkcje, które pozwalają poradzić sobie z komplikacjami, jak na przykład rzutowanie na sferę niebieską. Co ciekawe można nawet zrobić obliczenia związane z kosmologią w Astropy. Sub-pakiet kosmologii zawiera funkcje do modelowania ewolucji całego wszechświata w oparciu o zestaw początkowych warunków, które zresztą można wybierać. Chociaż można wybrać ustawienia własne, dostępnych jest kilka wbudowanych opcji związanych z kosmologią. Są one oparte na WMAP oraz Planck danych satelitarnych. Większość funkcji jest zbudowanych od obiektu rdzenia FLRW, który reprezentuje jednorodną, izotropową kosmologię, zdefiniowaną przez metrykę Friedmann-Lemaitre-Robertsona-Walkera z ogólnej teorii względności. Jednakże nie może być on stosowany bezpośrednio, potrzebne jest użycie sub-klasy.

Uważam, że warto poświęcić chwile, żeby spojrzeć na rozszerzony świat, pełny dostępnych pakietów.