Taivasta kartoittamassa - mitä näemme yllämme?

Tähdet ovat aina kiehtoneet ihmismieltä, mutta mitä me varsinaisesti näemme paitsi kauniiden, kirkkaiden pisteiden peiton?

# AJA TÄMÄ SOLU ENSIN! Tässä otetaan käyttöön tarvittavat python-paketit.

import pandas as pd
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

Otetaan tarkasteltavaksi joukko tietoja yllämme näkyvistä kohteista, joiden laajemmat versiot löytyvät selityksineen osoitteesta http://www.astronexus.com/hyg HYG-tietokannasta. Pääpiirteissään kyseessä on sellaisten tähtien joukko, jotka ovat joko tarpeeksi kirkkaita näkyäkseen Maasta käsin tai lähellä Aurinkoa (noh, tähtitieteellisessä mitassa lähellä, 75 valovuoden etäisyydellä).

Mistä HYG on lyhenne? Käypä selvittämässä!

# Ajamalla tämän solun saat käyttöösi suuren katalogin tähtien tietoja.
# Kiitokset Adam Lameelle helposti luettavan setin luomisesta.

taivas = pd.read_csv("https://raw.githubusercontent.com/adamlamee/CODINGinK12/master/data/stars.csv")

Miltä data näyttää?

# Tällä komennolla näet muuttujan ylimmät rivit. Mitä käy jos vaihdat suluissa olevaa numeroa tai poistat sen?

taivas.head(10)

	proper	ra	dec	dist	mag	absmag	ci	temp	x	y	z	con	lum	var	var_min	var_max
0	Sol	0.000000	0.000000	0.0000	-26.70	4.850	0.656	5756.588113	0.000005	0.000000	0.000000	NaN	1.000000	NaN	NaN	NaN
1	Proxima Centauri	14.495985	-62.679485	1.2959	11.01	15.447	1.807	3383.441193	-0.472264	-0.361451	-1.151219	Cen	0.000058	V645	11.079	10.939
2	Rigil Kentaurus	14.660765	-60.833976	1.3248	-0.01	4.379	0.710	5567.728737	-0.495203	-0.414084	-1.156625	Cen	1.543121	NaN	0.113	-0.087
3	NaN	14.660346	-60.838300	1.3248	1.35	5.739	0.900	4996.415833	-0.495181	-0.413973	-1.156674	Cen	0.440961	NaN	NaN	NaN
4	Barnard's Star	17.963472	4.693388	1.8238	9.54	13.235	1.570	3691.168543	-0.017373	-1.816613	0.149123	Oph	0.000443	V2500	9.590	9.490
5	NaN	10.941484	7.015320	2.3906	13.45	16.557	2.000	3169.353727	-2.282811	0.649334	0.292057	NaN	0.000021	NaN	NaN	NaN
6	Lalande 21185	11.055632	35.969877	2.5469	7.49	10.460	1.502	3790.500746	-1.998000	0.504305	1.495504	UMa	0.005702	NaN	NaN	NaN
7	NaN	1.650199	-17.949782	2.6267	12.57	15.473	1.850	3333.196615	2.270499	1.046970	-0.809963	NaN	0.000056	NaN	NaN	NaN
8	NaN	1.650199	-17.949782	2.6267	12.70	15.603	NaN	NaN	2.270631	1.047031	-0.810010	NaN	0.000050	NaN	NaN	NaN
9	NaN	6.752559	-16.715240	2.6371	8.44	11.334	-0.030	10515.561780	-0.494379	2.476814	-0.758470	CMa	0.002549	NaN	NaN	NaN

# Tällä komennolla voit tarkistaa, montako riviä dataa on.

len(taivas)

119614

Taulukosta nähdään joukko kryptisiä sarakkeita. Tarkemmat selitykset löytyvät Astronexuksen sivulta, mutta oleellisimmat lienevät tähtien paikkatiedot (rektaskensio “ra”, deklinaatio “dec”, etäisyys “dist”) ja valaisuun liittyvät ominaisuudet (havaittu magnitudi “mag” ja absoluuttinen kirkkaus “absmag”, lämpötila “temp” sekä luminositeetti “lum”). Ryhdytään nyt tarkastelemaan mitä näistä voidaan nähdä.

(Tutustu rektaskensioon ja deklinaatioon täällä.)

Kerro, kerro, kuvaaja

# Tässä otetaan "taivas"-tietorakenteesta kaksi saraketta ja luodaan niiden arvopareista kuvaaja.

plt.figure(figsize=(15, 4))
plt.scatter(taivas.ra, taivas.dec, s=0.01) # Mitä tietoja tässä käytettiin?
plt.xlim(24, 0)

plt.title("Kaikkien katalogissa olevien tähtien paikat Maasta katsottuna \n")
plt.xlabel('Tarvitsen nimen') # Korjaapa tämä otsikko sopivaksi!
plt.ylabel('Akseloin, siis olen') # Korjaapa tämä otsikko sopivaksi!

plt.show()

# Näetkö muotoja kuvassa? Mistä moiset voisivat johtua?

Tähtiä luokitellaan usein lämpötilansa ja kirkkautensa mukaan, siten että kirkkaammilla tähdillä on pienempi absoluuttinen magnitudi. Auringolla se on noin 4,8 (vai oliko? Mitä sanoo tarkastelemamme data?).

# Piirretään taas x,y-parien mukainen kuvaaja, jonka pisteitä
# käsitellään hieman niin, että niistä erottaakin jotakin.

plt.figure(figsize = (10,10))
plt.scatter(taivas.temp, taivas.absmag, s = 1, edgecolors = 'none', color = "red")
plt.xlim(2000,15000) # Mitä käy jos säädät näitä numeroita?
plt.ylim(20,-15)

plt.title("Keksipäs tähän kiva otsikko \n") # Muokkaa tämä sopivammaksi.
plt.ylabel("Absoluuttinen magnitudi")
plt.xlabel("Pintalämpötila (K)")

plt.show()

Painottuvatko tulokset jonnekin? Erottuvatko jotkin alueet muusta massasta? Löydätkö kuvasta kirkkaan, muttei erityisen lämpimän alueen (jättiläisiä)? Erityisen kuuman ja kirkkaan, mutta pienistä tähdistä koostuvan valkoisten kääpiöiden alueen?

Tähdistöt

Harvempi tähti on yksinäinen, vaan useimmiten ne kuuluvat suurempiin tähtijoukkoihin joille on annettu erilaisia nimiä pitkin vuosituhansia ja kulttuuripiirejä. Kansainväliseen käyttöön vakiintuneimmat nimet ovat eurooppalaista perua ja löytyvät “taivas”-tietorakenteen sarakkeesta “con” (constellation, tähdistö).

# Tämä poimii sarakkeesta listan lyhenteitä, jotka vastaavat tähdistöjen nimiä.

taivas.sort_values('con').con.unique() # Pystytkö sanallistamaan, mitä tällä rivillä käskettiin?

array(['And', 'Ant', 'Aps', 'Aql', 'Aqr', 'Ara', 'Ari', 'Aur', 'Boo',
       'CMa', 'CMi', 'CVn', 'Cae', 'Cam', 'Cap', 'Car', 'Cas', 'Cen',
       'Cep', 'Cet', 'Cha', 'Cir', 'Cnc', 'Col', 'Com', 'CrA', 'CrB',
       'Crt', 'Cru', 'Crv', 'Cyg', 'Del', 'Dor', 'Dra', 'Equ', 'Eri',
       'For', 'Gem', 'Gru', 'Her', 'Hor', 'Hya', 'Hyi', 'Ind', 'LMi',
       'Lac', 'Leo', 'Lep', 'Lib', 'Lup', 'Lyn', 'Lyr', 'Men', 'Mic',
       'Mon', 'Mus', 'Nor', 'Oct', 'Oph', 'Ori', 'Pav', 'Peg', 'Per',
       'Phe', 'Pic', 'PsA', 'Psc', 'Pup', 'Pyx', 'Ret', 'Scl', 'Sco',
       'Sct', 'Ser', 'Sex', 'Sge', 'Sgr', 'Tau', 'Tel', 'TrA', 'Tri',
       'Tuc', 'UMa', 'UMi', 'Vel', 'Vir', 'Vol', 'Vul', nan], dtype=object)

Tarkastellaan seuraavaksi, miten voisimme luokitella kunkin tähdistön sisältämiä tähtiä toisiinsa ja poimia sieltä joitain kiinnostavia yksilöitä.

# Tämä näyttää yhden tähdistön, vaihda kysyttyä lyhennettä alla ja tutki muitakin!
# Komento .query('...') antaa etsiä tietyntyyppistä dataa koko aineistosta.

constellation = taivas.query('con == "Vir"')

# Käytetään "subplot"-ominaisuutta piirtämään useita asioita yhtä aikaa.

plt.figure(figsize=(12, 4))
plt.subplot(1, 2, 1)

# Tällä saat näkyviin kyseisen tähdistön 10 kirkkainta. Mitäs jos .headin arvoa muuttaisi?

constellation = constellation.sort_values('mag').head(10)
plt.scatter(constellation.ra, constellation.dec)
plt.gca().invert_xaxis()

plt.title("Tähdistön kuva taivaalla \n")
plt.xlabel('Rektaskensio')
plt.ylabel('Deklinaatio')

plt.subplot(1, 2, 2)

# Okei, mutta mites nämä suhtautuvat koko käsiteltyyn aineistoon? Nyt lyödäänkin yhden tähdistön kirkkaimmat
# pisteet koko kartalle näkyviin.

plt.scatter(taivas.temp, taivas.absmag, s = 1, edgecolors = 'none', alpha = 0.2)
plt.scatter(constellation.temp, constellation.absmag, color = 'red', edgecolors = 'none')
plt.xlim(2000,15000)
plt.ylim(20,-15)

plt.title("Verrattuna koko taivaaseen \n")
plt.ylabel("Absoluuttinen magnitudi")
plt.xlabel("Lämpötila (K)")

plt.show()

Miten tuloksesi asettuvat tähtien elinkaarta kuvaavalle Hertzsprung-Russell -kuvaajalle? (huomaa akselit!)

Aurinko, lähin tähtemme

Aurinko on monin tavoin tärkeä meille ihmisille, niin planeettamme elämän mahdollistajana kuin parhaana tutkimuskohteenakin selvittäessämme, miten tähdet toimivat. Verrattuna kaikkeen muuhun koko aurinkokunnassa se on valtava, mutta kaikkien tähtien joukossa melkoinen höyhensarjalainen. Tarkastellaan vielä, miten se vertautuu näihin lähisukulaisiinsa.

# Aurinko, Sol, voidaan etsiä erilleen muista hakukomennolla.

aurinko = taivas.query('proper == "Sol"')

print(aurinko)

  proper   ra  dec  dist   mag  absmag     ci         temp         x    y  \
0    Sol  0.0  0.0   0.0 -26.7    4.85  0.656  5756.588113  0.000005  0.0   

     z  con  lum  var  var_min  var_max  
0  0.0  NaN  1.0  NaN      NaN      NaN  

# Jos nyt haluaisimme esimerkiksi vertailla sen lämpötilaa muihin...

isommat = taivas[taivas.temp > float(aurinko.temp)] # tässä float() on tarpeen muuttamaan
                                                    # tyypit samanlaisiksi, eli liukuluvuiksi
pienet = taivas[taivas.temp < float(aurinko.temp)]

print("Aurinkoa kuumempia tähtiä on listassa " + repr(len(isommat)))
print("Aurinkoa kylmempiä tähtiä on listassa " + repr(len(pienet)))

Aurinkoa kuumempia tähtiä on listassa 62067
Aurinkoa kylmempiä tähtiä on listassa 55591

Miten saisit vertailtua tähtien kirkkauksia (sekä havaittavaa että absoluuttista) ylläolevaan tapaan? Kokeile!