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[24710] 2016-02-13_引力波数据居然是用Python分析的

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-18
2016-02-13_引力波数据居然是用Python分析的 引 力 波 数 据 居 然 是 用   P y t h o n   分 析 的 编 程 派 / E a r l G r e y   L i n u x 中 国   2 0 1 6 - 0 2 - 1 3 转 载 自 ： 编 程 派   h t t p : / / w w w . c o d i n g p y . c o m / a r t i c l e / g w p y - l i g o - a n a l y z e - g r a v i t a t i o n a l - w a v e s - d a t a /   作 者 ：   E a r l G r e y 美 国 科 学 家 1 1 日 宣 布 ， 他 们 去 年 9 月 首 次 探 测 到 引 力 波 。 这 一 发 现 印 证 了 物 理 学 大 师 爱 因 斯 坦 1 0 0 年 前 的 预 言 。 宣 布 这 一 发 现 的 ， 是 激 光 干 涉 引 力 波 天 文 台 （ L I G O ） 的 负 责 人 。 这 个 机 构 诞 生 于 上 世 纪 9 0 年 代 ， 进 行 引 力 波 观 测 已 经 有 近 3 0 年 。 那 么 观 测 到 的 引 力 波 数 据 的 量 应 该 很 大 ， 科 学 家 如 何 对 这 些 数 据 进 行 分 析 ？ 有 没 有 用 到 P y t h o n 编 程 语 言 ？ 答 案 是 肯 定 的 答 案 是 肯 定 的 。 笔 者 在 G i t h u b 上 发 现 了 一 个 专 门 用 于 分 析 引 力 波 数 据 的 P y t h o n 包 ： G W P Y [ 1 ] 。 据 维 护 者 介 绍 ， G W P Y 的 代 码 来 自 L I G O 和 另 一 个 名 叫 V i r g o 的 机 构 ， 维 护 者 将 这 两 个 机 构 科 学 家 的 P y t h o n 代 码 整 理 ， 最 终 的 产 品 就 是 G W P Y 这 个 用 户 友 好 的 P y t h o n 包 。 在 具 体 介 绍 G W P Y 之 前 ， 先 给 和 笔 者 一 样 的 小 白 简 单 科 普 一 下 引 力 波 和 L I G O 的 相 关 知 识 。 什 么 是 引 力 波 ？ 什 么 是 引 力 波 ？
T h i s   3 - D   v i s u a l i z a t i o n   s h o w s   t h e   g r a v i t a t i o n a l   w a v e s   p r o d u c e d   b y   t w o   o r b i t i n g   b l a c k   h o l e s .   ( C r e d i t :   N A S A ) 上 图 是 两 个 黑 洞 所 产 生 的 引 力 波 的 3 - D 模 拟 图 （ N A S A ） 。 首 先 ， 什 么 是 引 力 波 ？ 在 物 理 学 上 ， 引 力 波 是 爱 因 斯 坦 广 义 相 对 论 所 预 言 的 一 种 以 光 速 传 播 的 时 空 波 动 ， 如 同 石 头 丢 进 水 里 产 生 的 波 纹 一 样 ， 引 力 波 被 视 为 宇 宙 中 的 “ 时 空 涟 漪 ” 。 通 常 引 力 波 的 产 生 非 常 困 难 ， 地 球 围 绕 太 阳 以 每 秒 3 0 千 米 的 速 度 前 进 ， 发 出 的 引 力 波 功 率 仅 为 2 0 0 瓦 ， 还 不 如 家 用 电 饭 煲 功 率 大 。 宇 宙 中 大 质 量 天 体 的 加 速 、 碰 撞 和 合 并 等 事 件 才 可 以 形 成 强 大 的 引 力 波 ， 但 能 产 生 这 种 较 强 引 力 波 的 波 源 距 离 地 球 都 十 分 遥 远 ， 传 播 到 地 球 时 变 得 非 常 微 弱 。 下 面 分 享 两 个 优 秀 的 视 频 ， 很 好 地 解 释 了 引 力 波 及 背 后 的 原 理 。 第 一 个 来 自 L I G O ， 第 二 个 则 是 比 较 通 俗 的 漫 画 式 讲 解 。 L I G O 科 学 家 的 解 释 ： 科 学 家 的 解 释 ： 漫 画 式 通 俗 解 释 ： 漫 画 式 通 俗 解 释 ：
L I G O 是 什 么 ？ 是 什 么 ？ L a s e r   I n t e r f e r o m e t e r   G r a v i t a t i o n a l - W a v e   O b s e r v a t o r y 激 光 干 涉 引 力 波 观 测 站 L I G O 是 加 州 理 工 学 院 （ C a l t e c h ） 和 麻 省 理 工 学 院 （ M I T ） 的 合 作 实 验 室 ， 现 在 也 有 其 他 的 大 学 参 与 。 实 验 资 金 来 源 于 美 国 国 家 科 学 基 金 会 。 L I G O 是 用 来 寻 找 宇 宙 中 的 引 力 波 ， 从 而 可 以 验 证 黑 洞 的 存 在 和 检 验 广 义 相 对 论 。 9 0 年 代 ： L I G O 计 划 L I G O 主 要 有 两 个 观 测 点 ， 位 于 路 易 斯 安 那 L i v i n g s t o n   P a r i s h 的 L I G O   L i v i n g s t o n 观 测 点 ， 和 华 盛 顿   H a n f o r d 的 L I G O   H a n f o r d 观 测 点 。 除 此 之 外 ， 在 加 州 P a s s a d e n a   的 C a l t e c h 校 园 中 还 有 L I G O   4 0 m   P r o t o t y p e   。 L I G O 是 如 何 探 测 引 力 波 的 ？ 是 如 何 探 测 引 力 波 的 ？ G W P Y ： ： L I G O 用 它 分 析 引 力 波 数 据 ？ 用 它 分 析 引 力 波 数 据 ？ g w p y 接 下 来 是 本 文 的 重 头 戏 。 我 们 一 起 来 学 习 如 何 G W P Y 分 析 引 力 波 数 据 。 下 面 的 介 绍 及 示 例 均 来 自 G W P Y 的 官 方 文 档 [ 2 ] 。
安 装 安 装 很 简 单 ， 就 可 以 完 成 安 装 。 不 过 安 装 的 过 程 可 能 会 比 较 长 ， 因 为 g w p y 使 用 的 依 赖 包 比 较 多 ， 包 括 n u m p y 、   s c i p y 、   c y c l e r 、 m a t p l o t l i b 、 a s t r o p y 等 。 面 向 对 象 编 程 面 向 对 象 编 程 G W P Y 是 一 个 面 向 对 象 编 程 的 P y t h o n 包 ， 也 就 是 说 ， 数 据 对 象 是 这 个 包 的 核 心 关 注 点 。 每 一 个 数 据 对 象 都 体 现 为 一 个 类 实 例 ， 包 含 了 其 属 性 和 包 含 的 数 据 。 如 果 想 创 建 一 个 新 的 类 实 例 ， 建 议 使 用 标 准 的 c o n s t r u c t o r 构 建 器 。 举 个 例 子 ， 我 们 可 以 使 用 一 个 数 据 数 组 ， 生 成 一 个 T i m e S e r i e s 对 象 ： 或 者 从 在 线 数 据 服 务 器 上 下 载 ： 核 心 数 据 对 象 核 心 数 据 对 象 据 介 绍 ， G W P Y 提 供 了 4 种 核 心 数 据 对 象 ， 分 别 代 表 引 力 波 探 测 器 所 产 生 的 四 种 标 准 数 据 ： T i m e S e r i e s （ 时 间 序 列 数 据 ） S p e c t r u m （ 光 谱 数 据 ） S p e c t r o g r a m （ 光 谱 图 ） D a t a Q u a l i t y F l a g 引 力 波 数 据 可 视 化 引 力 波 数 据 可 视 化 我 们 知 道 ， 将 引 力 波 探 测 器 收 集 的 数 据 可 视 化 ， 对 于 理 解 引 力 波 的 特 性 、 研 究 引 力 波 信 号 来 说 非 常 有 帮 助 。 模 块 中 提 供 了 一 些 p l o t 类 ， 可 以 直 观 地 展 示 相 应 的 数 据 类 型 。 G W P Y 的 核 心 数 据 对 象 里 ， 大 部 分 都 内 置 有 一 个 方 法 ， 可 以 让 研 究 人 员 快 速 对 某 个 数 据 集 进 行 可 视 化 展 示 。 举 个 例 子 ： p i p   i n s t a l l   g w p y 1 .   > > >   f r o m   g w p y . t i m e s e r i e s   i m p o r t   T i m e S e r i e s 2 .   > > >   m y d a t a   =   T i m e S e r i e s ( [ 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 1 0 ] ,   s a m p l e _ r a t e = 1 ,   e p o c h = 0 ) 1 .   > > >   f r o m   g w p y . t i m e s e r i e s   i m p o r t   T i m e S e r i e s 2 .   > > >   m y d a t a   =   T i m e S e r i e s . f e t c h ( ' H 1 : L D A S - S T R A I N ' ,   9 6 4 6 5 6 0 1 5 ,   9 6 4 6 5 6 6 1 5 ) g w p y . p l o t t e r p l o t ( )
g w p y   d a t a   p l o t G W P Y ： 利 用 公 开 的 ： 利 用 公 开 的 L I G O 数 据 进 行 绘 图 数 据 进 行 绘 图 我 们 接 下 来 利 用 L I G O 公 开 的 一 些 引 力 波 时 间 序 列 数 据 进 行 绘 图 。 我 们 可 以 直 接 在 线 加 载 这 些 数 据 。 首 先 导 入 我 们 需 要 的 模 块 ： 然 后 ， 下 载 数 据 ， 保 存 为 文 本 字 符 串 ： 现 在 ， 我 们 可 以 对 文 本 进 行 解 析 ， 补 充 必 要 的 元 数 据 之 后 ， 就 可 以 生 成 一 个 T i m e S e r i e s ： 1 .   > > >   f r o m   g w p y . t i m e s e r i e s   i m p o r t   T i m e S e r i e s 2 .   > > >   d a t a   =   T i m e S e r i e s . f e t c h ( ' H 1 : L D A S - S T R A I N ' ,   9 6 8 6 5 4 5 5 2 ,   9 6 8 6 5 4 5 6 2 ) 3 .   > > >   p l o t   =   d a t a . p l o t ( ) 4 .   > > >   p l o t . s h o w ( ) 1 .   > > >   f r o m   u r l l i b 2   i m p o r t   u r l o p e n 2 .   > > >   f r o m   n u m p y   i m p o r t   a s a r r a y 3 .   > > >   f r o m   g w p y . t i m e s e r i e s   i m p o r t   T i m e S e r i e s 1 .   > > >   d a t a   =   u r l o p e n ( ' h t t p : / / w w w . l i g o . o r g / s c i e n c e / G W 1 0 0 9 1 6 / L - s t r a i n _ h p 3 0 - 9 6 8 6 5 4 5 5 2 - 1 0 . t x t ' ) . r e a d ( ) 1 .   > > >   t s   =   T i m e S e r i e s ( a s a r r a y ( d a t a . s p l i t l i n e s ( ) ,   d t y p e = f l o a t ) , 2 .   > > >                                   e p o c h = 9 6 8 6 5 4 5 5 2 ,   s a m p l e _ r a t e = 1 6 3 8 4 ,   u n i t = ' s t r a i n ' )
最 后 ， 我 们 就 可 以 绘 图 了 ： L I G O   L i v i n g s t o n   O b s e r v a t o r y   d a t a   f o r   G W 1 0 0 9 1 6 转 载 自 ： 编 程 派   h t t p : / / w w w . c o d i n g p y . c o m / a r t i c l e / g w p y - l i g o - a n a l y z e - g r a v i t a t i o n a l - w a v e s - d a t a /   作 者 ：   E a r l G r e y [ 1 ] :   h t t p s : / / g i t h u b . c o m / g w p y / g w p y [ 2 ] :   h t t p s : / / g w p y . g i t h u b . i o / d o c s / v 0 . 1 / 推 荐 文 章 推 荐 文 章 I D 点 击 标 题 或 输 入 文 章   I D   直 达 该 文 章 1 5 6 程 序 员 应 该 避 免 的   5   种 代 码 注 释 1 2 8 1 终 端 中 的 乐 趣 ： 6 个 有 趣 的 L i n u x 命 令 行 工 具 3 3 7 0 超 神 们 ： 1 5   位 健 在 的 世 界 级 程 序 员 ！ 3 4 1 7 L i n u x   概 念 架 构 的 理 解 3 4 4 6 J a v a   程 序 员 应 会 的   L i n u x   命 令 2 .   > > >                                   e p o c h = 9 6 8 6 5 4 5 5 2 ,   s a m p l e _ r a t e = 1 6 3 8 4 ,   u n i t = ' s t r a i n ' ) 1 .   > > >   p l o t   =   t s . p l o t ( ) 2 .   > > >   p l o t . s e t _ t i t l e ( ' L I G O   L i v i n g s t o n   O b s e r v a t o r y   d a t a   f o r   G W 1 0 0 9 1 6 ' ) 3 .   > > >   p l o t . s e t _ y l a b e l ( ' G r a v i t a t i o n a l - w a v e   s t r a i n   a m p l i t u d e ' ) 4 .   > > >   p l o t . s h o w ( )
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