多波段天文观测与数据处理  031M1003H

学期:2017—2018学年(春)第二学期 | 课程属性:一级学科核心课 | 任课教师:赵永恒,颜毅华,吴宏,苟利军,李菂
授课时间: 星期五, 第5、6、7节
授课地点: 教1-114
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12
授课时间: 星期一, 第9、10、11节
授课地点: 教1-114
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12
课程编号: 031M1003H 课时: 80 学分: 4.0
课程属性: 一级学科核心课 主讲教师:赵永恒,颜毅华,吴宏,苟利军,李菂
英文名称: Astronomical Data Reducation

教学目的、要求

天体物理学是一门以观测为基础的科学,本课程介绍电磁波各波段天体物理观测使用的基本观测设备、观测方法等,培训天文专业研究生了解现代天文学中观测数据的获取与处理、促进天文观测与数学物理知识的有机结合、扩大学生的天体物理知识视野。本课程涉及到实测天体物理方法、观测数据的获取,处理和分析,实用性强!每个专题都有数据处理的实战作业,对天文专业研究生训练其基本的研究能力,为从事天文学研究打下扎实的数据处理与分析的专业基础。

预修课程

高等天文学

教 材

教师课件,教材之后整理完成。

主要内容

一、实测天体物理与数据分析(赵永恒,8次课,24学时)
1、第一章:引言 (1学时)
1.1、实测天体物理学的概念
1.2、天体信息的来源
1.3、得到天体信息的过程
1.4、地球大气对天文观测的影响
2、第二章:光学天文望远镜(2学时)
2.1、引言
2.2、表征望远镜光学性能的物理量
2.3、实际光学系统的像差
2.4、光学天文望远镜的分类
2.5、各类望远镜的特性和用途
2.6、望远镜的机架结构
2.7、光学望远镜的新进展
2.8、天文圆顶
2.9、天文台的选址
2.10、天文台介绍
3、第三章:辐射探测器(3学时)
3.1、反映辐射探测器性能的参数
3.2、照相底片
3.3、光电器件
3.4、自扫描硅二极管阵
3.5、CCD
3.6、用于天文观测的探测器比较
4、第四章:天体物理研究所需要的主要观测数据(3学时)
4.1、天体的位置
4.2、天体的空间运动
4.3、天体的物质分布、其所处的物理状态和内部运动
4.4、天体的物理参数
5、第五章:天体光度测量(3学时)
5.1、引言
5.2、测光系统
5.3、大气消光改正
5.4、UBV系统的归化
5.5、UBV系统所包含的物理信息
5.6、UBV系统和MK光谱分类
5.7、星际消光和UBV系统的星际消光改正
5.8、uvby系统所包含的物理信息
5.9、热星等与热改正
5.10、光度测量的方法
6、第六章:天体分光测量(3学时)
6.1、引言
6.2、分光仪器
6.3、常用光谱仪
6.4、多目标光谱仪
6.5、2.16米望远镜附属光谱仪
6.6、天体的光谱分类
6.7、恒星光谱分析
6.8、天体视向速度的测定
7、第七章:红外天文观测介绍(3学时)
7.1、基本知识
7.2、红外天文观测的重要意义
7.3、红外天文观测的特点和采取的对策
7.4、高空和大气外红外天文观测
7.5、地面红外巡天
8、第八章、天文数据分析介绍(6学时)
8.1 统计学简介(2学时)
介绍概率论与数理统计的基本概念,包括误差产生与传递、概率分布、参数估计(点估计、区间估计)等。
介绍工作环境,基于python的编程环境,使用numpy、scipy、matlibplot软件包。
8.2、数据分析方法(4学时)
介绍天文数据的基本分析方法:
1)数据拟合:数据建模、求极值,最小二乘法、最大似然法、非线性回归;
2)数据插值:内插与外推,样条(插值、拟合、平滑);
3)数据平滑:移动平均,频谱分析;
4)相关分析:自相关、交叉相关,时延、图像平移;
5)时域分析:快速傅立叶变换、功率谱、小波变换;
6)Monte Carlo模拟,bootstrap方法。
7)模式识别与数据挖掘


二、光学红外数据获取与处理(吴宏,4次课,12学时,观测实习8学时)

1、天文数据获取及数据存储格式FITS(1学时)
本节简单介绍国际常用恒星、星系天文数据库,并介绍天文标准图像、星表数据存储格式FITS的结构及读取方法。
2、天文图像、数据分析软件IRAF介绍(2学时)
介绍目前流行的天文图像、数据处理软件,重点介绍图像软件DS9,以及天文图像数据处理分析软件IRAF基本安装、结构、环境设置,IRAF天文应用包介绍,基本任务、基本命令、基本参数等介绍。
3、用CCD进行天文观测 (2学时)
简单介绍CCD结构、参数和基本工作原理,以及用CCD进行天文观测所需要的基本辅助图像。介绍CCD天文观测的基本步骤和观测策略,以及CCD基本性能的测量。
4、天文观测图像处理常用方法(2学时)
主要介绍一些图像数据处理的一些常用的、基本的方法,例如图像平滑、图像合并、图像binning等。
5、天文测光、光谱基本原理及基本数据处理流程(2学时)
天文测光基本数据处理流程和简单测光软件及原理,天体光谱基本数据处理流程和软件。
6、天文测光数据处理实际操作(3学时)
本节要求学生能够完成最基本图像数据处理,以及完成从观测图像中测量观测天体一些基本信息,比如星等。
7、天文观测实习 (8学时)
学生分两批前往国家天文台兴隆观测基地进行天文观测实习,每批算4学时。包括参观国家大科学工程项目LAMOST望远镜,2.16米望远镜以及其他小型测光望远镜。同时利用国家天文台1.26米、80cm、60cm、85cm望远镜对于变星进行实际测光观测,并对观测图像进行后续数据处理,获得变星光变曲线,并提交观测及数据处理报告。

三、高能数据获取及处理(苟利军,4次课,12学时)
1、	高能线数据简述(3学时)
1.1 高能观测的特点及其发展历史(1学时)
高能光子产生于宇宙间的激烈活动现象。作为能量辐射的最高端,这个波段的观测有着与众不同的观测要求及条件。我们将简单回顾高能观测的发展历史,望远镜和探测器的发展;以及各种望远镜观测模式的简单介绍与比较;高能观测和其他波段之间的区别及联系。
1.2高能观测取得的成就(2学时)
经过几十年努力,X射线望远镜的发展也经历了很大发展。做为最先进的望远镜的代表,Chandra, 至今已经运行15年。我们将以此卫星的发现结果为代表,从观测的角度来讲述我们在观测方面所取得成就。
2. 主要望远镜结构的介绍及其相关数据处理实践(9学时)
这个阶段不涉及到计算,但是要求计算机动手多一些。
2.1 以某个望远镜(Chandra或者XMM-Newton或其它)已有数据为例,介绍如何获取数据,以及不同观测模式下的观测流程,和不同观测模式下(像或光栅)的数据在处理方式上的差别。处理程序的获取及安装(包括HEASOFT, XSPEC, CIAO等)。本节希望学生理解观测模式的差异,以及如何选择。(1学时)
2.2 以具体数据实例,展示如何从原始数据得到光变曲线和光谱。本节要求学生能够了解和熟悉一些基本的处理流程。(2学时)
2.3 以XSPEC为例,让学生对XSPEC的整个分析流程有一个大概的了解,同时对一些常用模型有一个初步了解。(3学时)
2.4 以一个简化的黑洞的自旋测量过程为例,了解光谱分析的具体过程。同时学习简单脚本程序的编写。(3学时)


四、射电数据处理(李菂,4次课,12学时)
由于射电望远镜的独特技术特征,射电观测是认识宇宙重子物质,特别是宇宙气体的最强大工具之一。逐步进入正常运行的射电干涉阵ALMA,正在革命性地改变从行星形成到高红移星系等多个天体物理领域,包括揭示源恒星盘结构,前生命有机分子的形成,快速测量星系红移等。
本课程面向具有基本天文背景的研究生,介绍目前世界较为通用的射电天文观测手段和处理软件。为学生选择科研方向和计划从事相关的研究项目提供基本的知识框架。
1、射电望远镜基本原理和数据结构(4学时)
1.1 射电望远镜 (1学时):介绍射电望远镜,特别是观测量的物理意义。
1.2射电光谱数据分析基础,辐射转移原理 (3学时): 建立观测量(天线温度,速度弥散等等和目标物理(热温度,湍流,密度等等)、化学参量(风度)的依赖关系。
2、单天线数据处理实例。(4学时)
2.1 大型谱线巡天科学简介(1学时)
2.2 基于CLASS的谱线数据处理(3学时)事先安装CLASS。使用Class完成两个通用任务,精细结构谱线拟合及谱线成像。
3、干涉仪数据处理实例(4学时)
3.1 射电干涉仪基础 (1学时)
3.2 基于CASA的干涉仪数据分析实例(3学时) 事先安装CASA。使用CASA完成两个基本任务,谱线认证和成像作图。 


五、太阳数据获取与处理(颜毅华,4次课,12学时)
1、太阳活动现象与太阳光学与紫外观测 (3学时)
太阳是唯一一颗可在几乎所有参数(时间、波段/频谱、空间、偏振)上进行高精度和高分辩率观测的恒星,是天然的天体物理实验室。本节首先概述太阳活动现象及其观测、数据多样性与获取方式,然后介绍太阳光学与紫外波段的成像观测,主要是SOHO、Hinode、SDO等空间数据的获取与处理,最后简介在此基础上如磁场、温度等物理参数的计算与提取。
2、太阳X射线观测(2学时)
太阳是一个天然的加速器,会加速粒子与加热大气,产生高能辐射。本节简介太阳软X射线和硬X射线的谱与成像观测、数据处理,重点是RHESSI卫星与GOES卫星的数据获取与处理。 
3、太阳射电观测(3学时)
太阳射电波段提供了与可见光、紫外和X射线观测互补的太阳大气等离子体的重要观测手段,可通过灵敏的太阳射电爆发提供太阳爆发活动能量初始释放的信息并提供诊断日冕磁场的实测工具。本节主要介绍法国米波射电日像仪(NRH)、日本野边山日像仪(NoRH)的成像观测及Wind、Steoro空间甚低频的频谱观测与处理,简介中国射电频谱日像仪观测与处理。
4、太阳多波段分析与软件介绍(4学时)
随着空间探测的发展,目前对太阳已有全时段、多视角观测,未来更向近日探测发展。本节简介国际上以及国内的未来太阳探测计划,包括NASA、ESA等未来发展,然后对国际上的太阳综合分析软件SSW/IDL进行综合介绍,实际上前述各节中太阳多波段的观测处理大部分基于这个软件平台。最后进行实践活动,实际了解太阳数据的处理过程。

参考文献