□ 關(guān)凱瑩 王洪光 喬翠蘭

WWT 平臺(tái)下的脈沖星數(shù)據(jù)可視化

□ 關(guān)凱瑩 王洪光 喬翠蘭

天文領(lǐng)域的數(shù)據(jù)越來越多，如何將這些數(shù)據(jù)向普通大眾展示也得到越來越多的關(guān)注。本文以脈沖星數(shù)據(jù)為例，利用WorldWide Telescope（萬維天文望遠(yuǎn)鏡，以下簡(jiǎn)稱“WWT”）的Excel插件對(duì)脈沖星空間分布進(jìn)行可視化，并制作了相應(yīng)的漫游用于教學(xué)和科普。本文展示了一個(gè)實(shí)例，顯示出WWT在幫助天文學(xué)家將研究數(shù)據(jù)用于教育科普，以及青少年和天文愛好者開展探究性學(xué)習(xí)中都有廣闊的應(yīng)用前景。

可視化工具：WWT

1.1 WWT簡(jiǎn)介

WWT是微軟研究院于2008年推出的免費(fèi)天文數(shù)據(jù)軟件平臺(tái)，它集合了大量真實(shí)科學(xué)數(shù)據(jù)。WWT功能齊全，界面簡(jiǎn)潔，操作人性化，設(shè)計(jì)了探索、向?qū)铰巍⑺阉?、社區(qū)、望遠(yuǎn)鏡、顯示、設(shè)置等功能。軟件提供了6種語言選擇，包括英文、簡(jiǎn)體中文、西班牙語、德語、俄語和北印度語。區(qū)別于專業(yè)的科研類天文軟件，WWT的設(shè)計(jì)則更適合普通公眾，用戶并不需要掌握專業(yè)的計(jì)算機(jī)語言。WWT最大的優(yōu)勢(shì)是集合了全球主要的空間和地面望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)數(shù)據(jù)，包括星座、太陽系、哈勃太空望遠(yuǎn)鏡圖像、錢德拉X射線衛(wèi)星圖像、巡天數(shù)據(jù)、梅西耶天體和其他著名天體等，多角度呈現(xiàn)宇宙。其搜索功能可以幫助用戶快速地查找到天文或天文攝影圖片，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵還能獲取更多的天文信息。WWT的開始界面是深邃的宇宙，通過界面左下方的指向能自由切換界面的視角，包括地球、行星、天球、全景和太陽系，且呈現(xiàn)的都是三維動(dòng)態(tài)界面，利用鼠標(biāo)的滑輪還能輕易地拉近拉遠(yuǎn)目標(biāo)。

1.2 WWT的Excel插件

圖1

WWT提供了通過Excel控件將Excel表單數(shù)據(jù)可視化到WWT界面的功能，從而能直觀地呈現(xiàn)天文、地理或環(huán)境現(xiàn)象。WWT Excel Add-In是專門針對(duì)可視化而開發(fā)的用于連接WWT和Excel的控件。成功安裝WWT Excel Add-In控件之后，在Excel表格的工具欄會(huì)增加一個(gè)WWT按鈕（如圖1），在WWT按鈕下還細(xì)分11個(gè)小工具，分別提供選擇可視化、管理數(shù)據(jù)層、觀看示例和設(shè)置可視化效果等功能。觀看示例中給出四個(gè)可視化范例，如Earth Based Point Data Sample（地球地震點(diǎn)數(shù)據(jù)范例）（WWT Excel Add-In控件自帶的四個(gè)示例之一，點(diǎn)擊工具欄的“View Samples”按鈕即可找到），數(shù)據(jù)點(diǎn)被可視化在地球表面，不僅可以用于研究，還可用于教學(xué)和科普，使得枯燥乏味的科學(xué)數(shù)據(jù)變得形象生動(dòng)起來。

1.3 WWT的安裝和基本操作

WWT可在Windows7或Windows8系統(tǒng)下安裝，需2GB內(nèi)存。從WWT官網(wǎng)（http∶//www. worldwidetelescope.org/Download/）下載WWT和微軟網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Microsoft.NET Framework 4.0的安裝包，在安裝過程中安裝包會(huì)自動(dòng)檢測(cè)環(huán)境，對(duì)缺少的軟件和環(huán)境會(huì)提示下載。WWT也為Windows XP用戶提供了相應(yīng)的安裝版本。

首次運(yùn)行WWT時(shí)需要連接網(wǎng)絡(luò)。聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下點(diǎn)擊圖片即可自動(dòng)下載并保存數(shù)據(jù)，詳細(xì)操作可以參考WWT使用手冊(cè)（http∶//www.worldwidetelescope.org/Support/）和2012年WWT全國(guó)教師培訓(xùn)暨天文教育信息化專題研討會(huì)提供的《2012年基于數(shù)字天空的天文教學(xué)培訓(xùn)教師手冊(cè)》（http∶//wwt.china-vo.org/training2012/docs/wwt2012manual.pdf）。

WWT的可視化需要Excel表格的輔助，因此，運(yùn)行可視化之前，確保系統(tǒng)已經(jīng)安裝了2007、2010或2013版本的Microsoft Office。下載并安裝Microsoft Research WWT Add-in for Excel控件，詳情可參考官網(wǎng)（http∶//www.layerscape.org/Home/ExcelAddInWelcome）。

脈沖星數(shù)據(jù)的可視化

2.1 脈沖星及其數(shù)據(jù)來源

脈沖星是一種半徑很小自轉(zhuǎn)極快的天體，其特點(diǎn)是能夠發(fā)出很強(qiáng)的輻射光束，產(chǎn)生周期性脈沖信號(hào)。脈沖星是宇宙中已知磁場(chǎng)最強(qiáng)的天體。自1967年人類首次發(fā)現(xiàn)脈沖星以來，迄今已發(fā)現(xiàn)2300多顆，其中，被稱為正常脈沖星的接近兩千顆，自轉(zhuǎn)周期在幾十毫秒到十秒之間；毫秒脈沖星有三百多顆，自轉(zhuǎn)周期在一毫秒到幾十毫秒之間。許多已發(fā)現(xiàn)的毫秒脈沖星位于球狀星團(tuán)。40多年來，脈沖星的研究疆域在不斷拓寬，除了其自身的物理起源和演化，它們也成為檢驗(yàn)引力理論、捕捉引力波、測(cè)量銀河系磁場(chǎng)、研究星際介質(zhì)和星際導(dǎo)航的工具。該領(lǐng)域的研究已兩次被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，脈沖星也成為國(guó)際上大型望遠(yuǎn)鏡的主要研究對(duì)象之一，例如我國(guó)在建的500米球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST），將在澳大利亞和南非建設(shè)的下一代射電望遠(yuǎn)鏡陣列——平方公里陣（SKA）。但公眾對(duì)脈沖星的了解仍比較缺乏。因此，我們希望將脈沖星的信息呈現(xiàn)出來，而WWT提供了一個(gè)非常好的可視化平臺(tái)。

本文數(shù)據(jù)來自ATNF脈沖星數(shù)據(jù)庫1.49版（http∶//www.atnf.csiro.au/ research/pulsar/psrcat/）。該數(shù)據(jù)庫是2005年由澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)和工業(yè)研究組織（CSIRO）和英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的脈沖星天文學(xué)家們建立并維護(hù)的。截至2014年1月2日，該版本提供了2311顆脈沖星的上百種基本參數(shù)。本文利用脈沖星的天球坐標(biāo)來對(duì)其分布做可視化，希望根據(jù)自轉(zhuǎn)周期等參數(shù)對(duì)不同類型的脈沖星分層（即分類）顯示，因此，我們從數(shù)據(jù)庫中下載了J2000歷元下的脈沖星名稱、赤經(jīng)（RAJ）、赤緯（DECJ）、自轉(zhuǎn)周期（P0）和距離（Dist）等數(shù)據(jù)（不包含誤差），制作成6列數(shù)據(jù)的Excel表格（第一列為序號(hào)），并刪除多余空行。J2000是天文上使用的一種歷元，J表示儒略紀(jì)元法，一個(gè)儒略年共365.25天。J2000即地球時(shí)（Terrestrial Time）2000年1月1日12時(shí)開始的紀(jì)元。

2.2 可視化過程

2.2.1 數(shù)據(jù)處理：

1.

數(shù)據(jù)格式和單位轉(zhuǎn)換：這是成功可視化的重要步驟?？梢暬枰捎靡远葹閱挝坏某嘟?jīng)、赤緯值，而數(shù)據(jù)庫返回的赤經(jīng)值以時(shí)分秒為單位，赤緯以度角分角秒為單位（見表1第3、4列），因此需要換算。新增的兩列數(shù)據(jù)命名為RAJD和DECJD（第5、6列），取值范圍分別在0-360度內(nèi)和正負(fù)90度內(nèi)。WWT可視化中距離的單位多達(dá)9種，如Parsecs（秒差距）和Mega Parsecs（兆秒差距），而數(shù)據(jù)庫中默認(rèn)的距離單位為kpc（千秒差距），因此要將Excel表中距離的單位由kpc換算成pc。周期的單位仍采用秒為單位。

2.

增加可視化輔助項(xiàng)目：在表格最后增加一列Color，以30毫秒為界，根據(jù)自轉(zhuǎn)周期分為正常脈沖星和毫秒脈沖星，分別填上Yellow和Green，作為可視化標(biāo)識(shí)顏色。

表1 用于可視化的處理后的數(shù)據(jù)表格

2.2.2 可視化步驟：

下面給出了主要步驟，更詳細(xì)的截圖可以參考WWT可視化的四個(gè)示例。

1.選擇數(shù)據(jù)

用鼠標(biāo)選中表1中所有9列數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊Excel表工具欄的WWT按鈕，在層管理器界面下點(diǎn)擊visualize selection（可視化選擇），即可在層管理器界面中看到所選數(shù)據(jù)的信息。有時(shí)需要調(diào)整選擇的參數(shù)，為避免重復(fù)選擇，可在層管理器界面，Show Range（顯示范圍）按鈕顯示上一步選擇的數(shù)據(jù)區(qū)域（如圖2）。在更改參數(shù)或數(shù)據(jù)后單擊Update Range（更新范圍）進(jìn)行更新。另外界面還提供了更新層（Refresh）和刪除層（Delete Layer）功能。

圖2

2.層參數(shù)設(shè)置

在Layer Name（層名稱）的右側(cè)輸入框?qū)x擇的層命名，并在Reference Frame（參考系）的下拉列表中選擇可視化的參考系。我們將把脈沖星數(shù)據(jù)可視化到天球上，因此選擇Sky參考系（如圖3）。

圖3

3.標(biāo)簽設(shè)置

在繪圖窗口的左側(cè)顯示的是所選數(shù)據(jù)的第一行，即脈沖星參量名稱，右側(cè)是WWT標(biāo)簽，即對(duì)左側(cè)數(shù)據(jù)的參數(shù)設(shè)置（如圖4）。所選數(shù)據(jù)表的第一列是序號(hào)，不需要設(shè)置。 NAME、 RAJ、DECJ和P0在WWT可視化中不被使用，WWT標(biāo)簽不做選擇。對(duì)RAJD、DECJD分別選擇RA、Dec標(biāo)簽，表明這兩列數(shù)據(jù)為可視化所依據(jù)的赤經(jīng)和赤緯值，并在下方的RA Units（赤經(jīng)單位）選擇degrees（度）；WWT的赤緯默認(rèn)以度為單位，故不需要再進(jìn)行設(shè)置。DIST的標(biāo)簽選擇為Distance，下方的Distance Units（距離單位）選擇Parsecs（秒差距）。Color的標(biāo)簽選擇為Color。

圖4

4.可視化

為使得可視化效果更美觀，還可在Layer窗口設(shè)置可視化效果。Layer Opacity（層透明度）設(shè)置可視化的透明度，為了達(dá)到較好的可視化效果，本文選擇完全不透明（圖5）。在Marker（標(biāo)識(shí)）窗口中，Hover Text Column（懸浮文本欄）選擇NAME，Scale Factor（比例因子）選擇可視化標(biāo)記點(diǎn)的大小，可視化之后仍可修改（圖6）。

圖5

圖6

完成以上的設(shè)置之后，單擊層管理器下方的View in WWT按鈕，完成可視化。畫面自動(dòng)轉(zhuǎn)換到WWT的界面，即可看到界面呈現(xiàn)的脈沖星數(shù)據(jù)在天球上的可視化結(jié)果（圖7）。

圖7

圖8 通過尋星鏡顯示器找到可視化在天球上的PSR B1919+21，圖中黃色的亮斑表示可視化的PSR B1919+21脈沖星。帶十字的灰色圓環(huán)是尋星鏡顯示器，顯示當(dāng)前位置的赤經(jīng)赤緯等信息。

5.核對(duì)結(jié)果

在WWT界面單擊右鍵，打開尋星鏡顯示器。選擇界面中的一顆脈沖星，使其置于尋星鏡視場(chǎng)中心，此時(shí)，該脈沖星所在位置的坐標(biāo)信息，包括赤經(jīng)、赤緯、地平坐標(biāo)和方位角等即顯示出來。通過與Excel表中的赤經(jīng)赤緯值對(duì)比來判斷該星是否正確地可視化在天球上?？商暨x著名的脈沖星來進(jìn)行核對(duì)，例如最早被發(fā)現(xiàn)的脈沖星PSR1919+21、最早被發(fā)現(xiàn)的脈沖雙星PSR B1913+16和毫秒脈沖星PSR B1937+21等。留意界面右下角顯示的當(dāng)前視場(chǎng)的星座區(qū)域全貌、名稱和坐標(biāo)，核對(duì)目標(biāo)脈沖星是否出現(xiàn)在對(duì)應(yīng)的星座中。圖8給出了PSR B1919+21的核對(duì)結(jié)果作為示例。

圖9 未可視化時(shí)Full dome下的天球，畫面中從左中到右下的亮帶是銀河

圖10 脈沖星所有數(shù)據(jù)的可視化結(jié)果，黃色和綠色標(biāo)記點(diǎn)分別表示正常脈沖星和毫秒脈沖星

2.3 脈沖星數(shù)據(jù)分層可視化

WWT的可視化功能使之成為研究的好幫手。例如，我們想知道是否不同類型的脈沖星的空間分布會(huì)有不同？這就用到WWT的分層可視化功能，即將分類數(shù)據(jù)顯示在不同層，多層可以在同一界面疊加。以脈沖星為例，可以根據(jù)自轉(zhuǎn)周期的差別分為正常和毫秒脈沖星，也可以根據(jù)它們所處的位置不同分為球狀星團(tuán)脈沖星和非球狀星團(tuán)脈沖星，等等。下面我們展示如何分層可視化這兩種分類下的脈沖星數(shù)據(jù)。

在上一環(huán)節(jié)，我們已經(jīng)以30毫秒為界區(qū)分出正常和毫秒脈沖星，并賦予黃色和綠色在圖7中一同顯示出來，但空間分布的差別看得不很清楚。為此，我們把兩類脈沖星分別保存在不同表格中，以便分層顯示。另外，根據(jù)Pulsars in globular clusters網(wǎng)站（http∶//www2.naic. edu/～pfreire/GCpsr.html）提供的球狀星團(tuán)脈沖星列表（143顆），我們從ATNF數(shù)據(jù)庫整理出球狀星團(tuán)脈沖星的數(shù)據(jù)表格。

得到各層數(shù)據(jù)后，重復(fù)上述步驟完成各層數(shù)據(jù)的可視化，就可以嘗試解答上述問題了。

2.4 脈沖星可視化結(jié)果

圖9～圖13給出脈沖星數(shù)據(jù)在WWT上的可視化結(jié)果。

由圖10可見，脈沖星在天球上的分布主要集中在銀盤上。從圖11和圖12可見，正常脈沖星主要集中在銀盤附近，而毫秒脈沖星的分布則要分散得多。圖13顯示球狀星團(tuán)中脈沖星的分布是比較分散的。檢查球狀星團(tuán)脈沖星列表，可以看出以毫秒脈沖星居多，因此可以解釋毫秒脈沖星和正常脈沖星分布的差別。本文只是一個(gè)簡(jiǎn)單的示例，讀者可以探索自己感興趣的問題，挖掘WWT的強(qiáng)大功能。

脈沖星可視化漫游制作

圖12 毫秒脈沖星（綠色）的可視化結(jié)果

上述結(jié)果是靜態(tài)的，如何讓它們動(dòng)起來，并配上美妙的音樂和解說，向人們展示自己探索的宇宙奧秘？這可以借助WWT的漫游制作功能。漫游是WWT開發(fā)的可播放或編輯的教育和科普工具，WWT官網(wǎng)提供了國(guó)外最新制作的漫游，并不斷更新，涵蓋了銀河系、行星、黑洞和超新星等內(nèi)容的介紹，點(diǎn)擊相應(yīng)的漫游即可自動(dòng)下載并播放。我們將脈沖星數(shù)據(jù)可視化的結(jié)果制作成了漫游，以動(dòng)態(tài)的形式展示脈沖星在天球上的分布情況，漫游下載網(wǎng)址如下http∶//www.gdtw.org.cn/NewsDetail. aspx?code=0902&id=851。我們將繼續(xù)用WWT來制作新的漫游節(jié)目，用于天文教學(xué)和科普，也非常歡迎愛好者們的參與。

圖11 正常脈沖星（黃色）可視化結(jié)果

（責(zé)任編輯 張長(zhǎng)喜）

圖13 球狀星團(tuán)脈沖星（紅色）的可視化結(jié)果