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Astropy

概述

Astropy 是天文學研究與資料分析的核心 Python 套件，提供必要的天文功能。使用 astropy 進行座標轉換、單位與量值計算、FITS 檔案操作、宇宙學計算、精確時間處理、表格資料操作及天文影像處理。

使用時機

當任務涉及以下項目時使用 astropy：

• 在天體座標系統間進行轉換 (ICRS、銀河座標、FK5、AltAz 等)
• 處理物理單位與量值 (將 Jy 轉換為 mJy、秒差距轉換為公里等)
• 讀取、寫入或操作 FITS 檔案 (影像或表格)
• 宇宙學計算 (光度距離、回溯時間、哈伯參數)
• 使用不同時間尺度 (UTC、TAI、TT、TDB) 與格式 (JD、MJD、ISO) 進行精確時間處理
• 表格操作 (讀取星表、跨比對、篩選、合併)
• 像素座標與世界座標 (WCS) 之間的轉換
• 天文常數與計算

快速入門

import astropy.units as u
from astropy.coordinates import SkyCoord
from astropy.time import Time
from astropy.io import fits
from astropy.table import Table
from astropy.cosmology import Planck18

# 單位與量值
distance = 100 * u.pc
distance_km = distance.to(u.km)

# 座標
coord = SkyCoord(ra=10.5*u.degree, dec=41.2*u.degree, frame='icrs')
coord_galactic = coord.galactic

# 時間
t = Time('2023-01-15 12:30:00')
jd = t.jd  # 儒略日

# FITS 檔案
data = fits.getdata('image.fits')
header = fits.getheader('image.fits')

# 表格
table = Table.read('catalog.fits')

# 宇宙學
d_L = Planck18.luminosity_distance(z=1.0)

核心功能

1. 單位與量值 (astropy.units)

處理帶單位的物理量、執行單位轉換，並確保計算的維度一致性。

關鍵操作：

• 將值與單位相乘來建立量值
• 使用 .to() 方法在單位間轉換
• 執行算術運算，自動處理單位
• 使用等價性進行領域特定轉換 (光譜、都卜勒、視差)
• 處理對數單位 (星等、分貝)

參閱： references/units.md 以取得完整的文件、單位系統、等價性、效能最佳化及單位算術。

2. 座標系統 (astropy.coordinates)

表示天體位置並在不同的座標框架之間進行轉換。

關鍵操作：

• 使用 SkyCoord 在任何框架 (ICRS、銀河座標、FK5、AltAz 等) 中建立座標
• 在座標系統間進行轉換
• 計算角分離與位置角
• 將座標與星表進行比對
• 加入距離以進行 3D 座標操作
• 處理自行與徑向速度
• 從線上資料庫查詢命名天體

參閱： references/coordinates.md 以取得詳細的座標框架說明、轉換、觀測者相關框架 (AltAz)、星表比對及效能提示。

3. 宇宙學計算 (astropy.cosmology)

使用標準宇宙學模型執行宇宙學計算。

關鍵操作：

• 使用內建的宇宙學模型 (Planck18、WMAP9 等)
• 建立自訂宇宙學模型
• 計算距離 (光度距離、共動距離、角直徑距離)
• 計算年齡與回溯時間
• 決定任意紅移下的哈伯參數
• 計算密度參數與體積
• 執行逆向計算 (針對給定距離找出紅移)

參閱： references/cosmology.md 以取得可用模型、距離計算、時間計算、密度參數及中微子效應。

4. FITS 檔案處理 (astropy.io.fits)

讀取、寫入及操作 FITS (彈性影像傳輸系統) 檔案。

關鍵操作：

• 使用內容管理器開啟 FITS 檔案
• 依索引或名稱存取 HDU (標頭資料單元)
• 讀取與修改標頭 (關鍵字、註解、歷史紀錄)
• 處理影像資料 (NumPy 陣列)
• 處理表格資料 (二進位與 ASCII 表格)
• 建立新的 FITS 檔案 (單一或多重擴展)
• 對大型檔案使用記憶體映射
• 存取遠端 FITS 檔案 (S3、HTTP)

參閱： references/fits.md 以取得完整的檔案操作、標頭操作、影像與表格處理、多擴展檔案及效能考量。

5. 表格操作 (astropy.table)

處理表格資料，支援單位、中繼資料及多種檔案格式。

關鍵操作：

• 從陣列、列表或字典建立表格
• 以多種格式 (FITS、CSV、HDF5、VOTable) 讀取/寫入表格
• 存取與修改欄位與列
• 排序、篩選及索引表格
• 執行資料庫風格的作業 (合併、分組、聚合)
• 堆疊與串接表格
• 處理具有單位感知的欄位 (QTable)
• 使用遮罩處理缺失資料

參閱： references/tables.md 以取得表格建立、I/O 操作、資料操作、排序、篩選、合併、分組及效能提示。

6. 時間處理 (astropy.time)

精確的時間表示與時間尺度及格式間的轉換。

關鍵操作：

• 以各種格式 (ISO、JD、MJD、Unix 等) 建立 Time 物件
• 在時間尺度間進行轉換 (UTC、TAI、TT、TDB 等)
• 使用 TimeDelta 執行時間算術
• 為觀測者計算恆星時
• 計算光行時間修正 (重心、日心)
• 有效率地處理時間陣列
• 處理遮罩 (缺失) 時間

參閱： references/time.md 以取得時間格式、時間尺度、轉換、算術、觀測功能及精密度處理。

7. 世界座標系統 (astropy.wcs)

在影像的像素座標與世界座標之間進行轉換。

關鍵操作：

• 從 FITS 標頭讀取 WCS
• 將像素座標轉換為世界座標 (反之亦然)
• 計算影像足跡
• 存取 WCS 參數 (參考像素、投影、比例)
• 建立自訂 WCS 物件

參閱： references/wcs_and_other_modules.md 以取得 WCS 操作與轉換。

附加功能

references/wcs_and_other_modules.md 檔案也涵蓋了：

NDData 與 CCDData

適用於具有中繼資料、不確定性、遮罩及 WCS 資訊的 n 維資料集的容器。

建模

用於建立數學模型並擬合到天文資料的框架。

視覺化

使用適當的拉伸與縮放進行天文影像顯示的工具。

常數

具有適當單位的物理與天文常數 (光速、太陽質量、普朗克常數等)。

卷積

用於平滑與濾波的影像處理核心。

統計學

穩健的統計函數，包括 sigma 裁剪與離群值剔除。

安裝

# 安裝 astropy
uv pip install astropy

# 安裝包含所有功能的選用相依套件
uv pip install astropy[all]

常見工作流程

在系統間轉換座標

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

# 建立座標
c = SkyCoord(ra='05h23m34.5s', dec='-69d45m22s', frame='icrs')

# 轉換為銀河座標
c_gal = c.galactic
print(f"l={c_gal.l.deg}, b={c_gal.b.deg}")

# 轉換為地平座標 (需要時間與位置)
from astropy.time import Time
from astropy.coordinates import EarthLocation, AltAz

observing_time = Time('2023-06-15 23:00:00')
observing_location = EarthLocation(lat=40*u.deg, lon=-120*u.deg)
aa_frame = AltAz(obstime=observing_time, location=observing_location)
c_altaz = c.transform_to(aa_frame)
print(f"Alt={c_altaz.alt.deg}, Az={c_altaz.az.deg}")

讀取與分析 FITS 檔案

from astropy.io import fits
import numpy as np

# 開啟 FITS 檔案
with fits.open('observation.fits') as hdul:
    # 顯示結構
    hdul.info()

    # 取得影像資料與標頭
    data = hdul[1].data
    header = hdul[1].header

    # 存取標頭值
    exptime = header['EXPTIME']
    filter_name = header['FILTER']

    # 分析資料
    mean = np.mean(data)
    median = np.median(data)
    print(f"平均值: {mean}, 中位數: {median}")

宇宙學距離計算

from astropy.cosmology import Planck18
import astropy.units as u
import numpy as np

# 計算 z=1.5 時的距離
z = 1.5
d_L = Planck18.luminosity_distance(z)
d_A = Planck18.angular_diameter_distance(z)

print(f"光度距離: {d_L}")
print(f"角直徑距離: {d_A}")

# 該紅移下的宇宙年齡
age = Planck18.age(z)
print(f"z={z} 時的年齡: {age.to(u.Gyr)}")

# 回溯時間
t_lookback = Planck18.lookback_time(z)
print(f"回溯時間: {t_lookback.to(u.Gyr)}")

跨比對星表

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

# 讀取星表
cat1 = Table.read('catalog1.fits')
cat2 = Table.read('catalog2.fits')

# 建立座標物件
coords1 = SkyCoord(ra=cat1['RA']*u.degree, dec=cat1['DEC']*u.degree)
coords2 = SkyCoord(ra=cat2['RA']*u.degree, dec=cat2['DEC']*u.degree)

# 尋找匹配
idx, sep, _ = coords1.match_to_catalog_sky(coords2)

# 依分離閾值篩選
max_sep = 1 * u.arcsec
matches = sep < max_sep

# 建立匹配後的星表
cat1_matched = cat1[matches]
cat2_matched = cat2[idx[matches]]
print(f"找到 {len(cat1_matched)} 個匹配")

最佳實務

1. 始終使用單位：為量值附加單位以避免錯誤並確保維度一致性
2. 對 FITS 檔案使用內容管理器：確保檔案正確關閉
3. 偏好陣列而非迴圈：以陣列形式處理多個座標/時間以獲得更好的效能
4. 檢查座標框架：在轉換前確認框架
5. 使用適當的宇宙學模型：為您的分析選擇正確的宇宙學模型
6. 處理缺失資料：對含有缺失值的表格使用遮罩欄位
7. 指定時間尺度：對精確計時明確指出時間尺度 (UTC、TT、TDB)
8. 對具有單位感知的表格使用 QTable：當表格欄位具有單位時
9. 檢查 WCS 有效性：在使用轉換前驗證 WCS
10. 快取常用值：可快取昂貴的計算 (例如宇宙學距離)

文件與資源

• 官方 Astropy 文件: https://docs.astropy.org/en/stable/
• 教學: https://learn.astropy.org/
• GitHub: https://github.com/astropy/astropy

參考檔案

有關特定模組的詳細資訊：

• references/units.md - 單位、量值、轉換與等價性
• references/coordinates.md - 座標系統、轉換與星表比對
• references/cosmology.md - 宇宙學模型與計算
• references/fits.md - FITS 檔案操作與處理
• references/tables.md - 表格建立、I/O 與操作
• references/time.md - 時間格式、尺度與計算
• references/wcs_and_other_modules.md - WCS、NDData、建模、視覺化、常數及工具