WWT 平台下的脉冲星数据可视化

□ 关凯莹 王洪光 乔翠兰

WWT 平台下的脉冲星数据可视化

□ 关凯莹 王洪光 乔翠兰

天文领域的数据越来越多，如何将这些数据向普通大众展示也得到越来越多的关注。本文以脉冲星数据为例，利用WorldWide Telescope（万维天文望远镜，以下简称“WWT”）的Excel插件对脉冲星空间分布进行可视化，并制作了相应的漫游用于教学和科普。本文展示了一个实例，显示出WWT在帮助天文学家将研究数据用于教育科普，以及青少年和天文爱好者开展探究性学习中都有广阔的应用前景。

可视化工具：WWT

1.1 WWT简介

WWT是微软研究院于2008年推出的免费天文数据软件平台，它集合了大量真实科学数据。WWT功能齐全，界面简洁，操作人性化，设计了探索、向导式漫游、搜索、社区、望远镜、显示、设置等功能。软件提供了6种语言选择，包括英文、简体中文、西班牙语、德语、俄语和北印度语。区别于专业的科研类天文软件，WWT的设计则更适合普通公众，用户并不需要掌握专业的计算机语言。WWT最大的优势是集合了全球主要的空间和地面望远镜的科学数据，包括星座、太阳系、哈勃太空望远镜图像、钱德拉X射线卫星图像、巡天数据、梅西耶天体和其他著名天体等，多角度呈现宇宙。其搜索功能可以帮助用户快速地查找到天文或天文摄影图片，点击鼠标右键还能获取更多的天文信息。WWT的开始界面是深邃的宇宙，通过界面左下方的指向能自由切换界面的视角，包括地球、行星、天球、全景和太阳系，且呈现的都是三维动态界面，利用鼠标的滑轮还能轻易地拉近拉远目标。

1.2 WWT的Excel插件

图1

WWT提供了通过Excel控件将Excel表单数据可视化到WWT界面的功能，从而能直观地呈现天文、地理或环境现象。WWT Excel Add-In是专门针对可视化而开发的用于连接WWT和Excel的控件。成功安装WWT Excel Add-In控件之后，在Excel表格的工具栏会增加一个WWT按钮（如图1），在WWT按钮下还细分11个小工具，分别提供选择可视化、管理数据层、观看示例和设置可视化效果等功能。观看示例中给出四个可视化范例，如Earth Based Point Data Sample（地球地震点数据范例）（WWT Excel Add-In控件自带的四个示例之一，点击工具栏的“View Samples”按钮即可找到），数据点被可视化在地球表面，不仅可以用于研究，还可用于教学和科普，使得枯燥乏味的科学数据变得形象生动起来。

1.3 WWT的安装和基本操作

WWT可在Windows7或Windows8系统下安装，需2GB内存。从WWT官网（http∶//www. worldwidetelescope.org/Download/）下载WWT和微软网络架构Microsoft.NET Framework 4.0的安装包，在安装过程中安装包会自动检测环境，对缺少的软件和环境会提示下载。WWT也为Windows XP用户提供了相应的安装版本。

首次运行WWT时需要连接网络。联网状态下点击图片即可自动下载并保存数据，详细操作可以参考WWT使用手册（http∶//www.worldwidetelescope.org/Support/）和2012年WWT全国教师培训暨天文教育信息化专题研讨会提供的《2012年基于数字天空的天文教学培训教师手册》（http∶//wwt.china-vo.org/training2012/docs/wwt2012manual.pdf）。

WWT的可视化需要Excel表格的辅助，因此，运行可视化之前，确保系统已经安装了2007、2010或2013版本的Microsoft Office。下载并安装Microsoft Research WWT Add-in for Excel控件，详情可参考官网（http∶//www.layerscape.org/Home/ExcelAddInWelcome）。

脉冲星数据的可视化

2.1 脉冲星及其数据来源

脉冲星是一种半径很小自转极快的天体，其特点是能够发出很强的辐射光束，产生周期性脉冲信号。脉冲星是宇宙中已知磁场最强的天体。自1967年人类首次发现脉冲星以来，迄今已发现2300多颗，其中，被称为正常脉冲星的接近两千颗，自转周期在几十毫秒到十秒之间；毫秒脉冲星有三百多颗，自转周期在一毫秒到几十毫秒之间。许多已发现的毫秒脉冲星位于球状星团。40多年来，脉冲星的研究疆域在不断拓宽，除了其自身的物理起源和演化，它们也成为检验引力理论、捕捉引力波、测量银河系磁场、研究星际介质和星际导航的工具。该领域的研究已两次被授予诺贝尔物理学奖，脉冲星也成为国际上大型望远镜的主要研究对象之一，例如我国在建的500米球面射电望远镜（FAST），将在澳大利亚和南非建设的下一代射电望远镜阵列——平方公里阵（SKA）。但公众对脉冲星的了解仍比较缺乏。因此，我们希望将脉冲星的信息呈现出来，而WWT提供了一个非常好的可视化平台。

本文数据来自ATNF脉冲星数据库1.49版（http∶//www.atnf.csiro.au/ research/pulsar/psrcat/）。该数据库是2005年由澳大利亚联邦科学和工业研究组织（CSIRO）和英国曼彻斯特大学的脉冲星天文学家们建立并维护的。截至2014年1月2日，该版本提供了2311颗脉冲星的上百种基本参数。本文利用脉冲星的天球坐标来对其分布做可视化，希望根据自转周期等参数对不同类型的脉冲星分层（即分类）显示，因此，我们从数据库中下载了J2000历元下的脉冲星名称、赤经（RAJ）、赤纬（DECJ）、自转周期（P0）和距离（Dist）等数据（不包含误差），制作成6列数据的Excel表格（第一列为序号），并删除多余空行。J2000是天文上使用的一种历元，J表示儒略纪元法，一个儒略年共365.25天。J2000即地球时（Terrestrial Time）2000年1月1日12时开始的纪元。

2.2 可视化过程

2.2.1 数据处理：

1.

数据格式和单位转换：这是成功可视化的重要步骤。可视化需要采用以度为单位的赤经、赤纬值，而数据库返回的赤经值以时分秒为单位，赤纬以度角分角秒为单位（见表1第3、4列），因此需要换算。新增的两列数据命名为RAJD和DECJD（第5、6列），取值范围分别在0-360度内和正负90度内。WWT可视化中距离的单位多达9种，如Parsecs（秒差距）和Mega Parsecs（兆秒差距），而数据库中默认的距离单位为kpc（千秒差距），因此要将Excel表中距离的单位由kpc换算成pc。周期的单位仍采用秒为单位。

2.

增加可视化辅助项目：在表格最后增加一列Color，以30毫秒为界，根据自转周期分为正常脉冲星和毫秒脉冲星，分别填上Yellow和Green，作为可视化标识颜色。

表1 用于可视化的处理后的数据表格

2.2.2 可视化步骤：

下面给出了主要步骤，更详细的截图可以参考WWT可视化的四个示例。

1.选择数据

用鼠标选中表1中所有9列数据，点击Excel表工具栏的WWT按钮，在层管理器界面下点击visualize selection（可视化选择），即可在层管理器界面中看到所选数据的信息。有时需要调整选择的参数，为避免重复选择，可在层管理器界面，Show Range（显示范围）按钮显示上一步选择的数据区域（如图2）。在更改参数或数据后单击Update Range（更新范围）进行更新。另外界面还提供了更新层（Refresh）和删除层（Delete Layer）功能。

图2

2.层参数设置

在Layer Name（层名称）的右侧输入框对选择的层命名，并在Reference Frame（参考系）的下拉列表中选择可视化的参考系。我们将把脉冲星数据可视化到天球上，因此选择Sky参考系（如图3）。

图3

3.标签设置

在绘图窗口的左侧显示的是所选数据的第一行，即脉冲星参量名称，右侧是WWT标签，即对左侧数据的参数设置（如图4）。所选数据表的第一列是序号，不需要设置。 NAME、 RAJ、DECJ和P0在WWT可视化中不被使用，WWT标签不做选择。对RAJD、DECJD分别选择RA、Dec标签，表明这两列数据为可视化所依据的赤经和赤纬值，并在下方的RA Units（赤经单位）选择degrees（度）；WWT的赤纬默认以度为单位，故不需要再进行设置。DIST的标签选择为Distance，下方的Distance Units（距离单位）选择Parsecs（秒差距）。Color的标签选择为Color。

图4

4.可视化

为使得可视化效果更美观，还可在Layer窗口设置可视化效果。Layer Opacity（层透明度）设置可视化的透明度，为了达到较好的可视化效果，本文选择完全不透明（图5）。在Marker（标识）窗口中，Hover Text Column（悬浮文本栏）选择NAME，Scale Factor（比例因子）选择可视化标记点的大小，可视化之后仍可修改（图6）。

图5

图6

完成以上的设置之后，单击层管理器下方的View in WWT按钮，完成可视化。画面自动转换到WWT的界面，即可看到界面呈现的脉冲星数据在天球上的可视化结果（图7）。

图7

图8 通过寻星镜显示器找到可视化在天球上的PSR B1919+21，图中黄色的亮斑表示可视化的PSR B1919+21脉冲星。带十字的灰色圆环是寻星镜显示器，显示当前位置的赤经赤纬等信息。

5.核对结果

在WWT界面单击右键，打开寻星镜显示器。选择界面中的一颗脉冲星，使其置于寻星镜视场中心，此时，该脉冲星所在位置的坐标信息，包括赤经、赤纬、地平坐标和方位角等即显示出来。通过与Excel表中的赤经赤纬值对比来判断该星是否正确地可视化在天球上。可挑选著名的脉冲星来进行核对，例如最早被发现的脉冲星PSR1919+21、最早被发现的脉冲双星PSR B1913+16和毫秒脉冲星PSR B1937+21等。留意界面右下角显示的当前视场的星座区域全貌、名称和坐标，核对目标脉冲星是否出现在对应的星座中。图8给出了PSR B1919+21的核对结果作为示例。

图9 未可视化时Full dome下的天球，画面中从左中到右下的亮带是银河

图10 脉冲星所有数据的可视化结果，黄色和绿色标记点分别表示正常脉冲星和毫秒脉冲星

2.3 脉冲星数据分层可视化

WWT的可视化功能使之成为研究的好帮手。例如，我们想知道是否不同类型的脉冲星的空间分布会有不同？这就用到WWT的分层可视化功能，即将分类数据显示在不同层，多层可以在同一界面叠加。以脉冲星为例，可以根据自转周期的差别分为正常和毫秒脉冲星，也可以根据它们所处的位置不同分为球状星团脉冲星和非球状星团脉冲星，等等。下面我们展示如何分层可视化这两种分类下的脉冲星数据。

在上一环节，我们已经以30毫秒为界区分出正常和毫秒脉冲星，并赋予黄色和绿色在图7中一同显示出来，但空间分布的差别看得不很清楚。为此，我们把两类脉冲星分别保存在不同表格中，以便分层显示。另外，根据Pulsars in globular clusters网站（http∶//www2.naic. edu/～pfreire/GCpsr.html）提供的球状星团脉冲星列表（143颗），我们从ATNF数据库整理出球状星团脉冲星的数据表格。

得到各层数据后，重复上述步骤完成各层数据的可视化，就可以尝试解答上述问题了。

2.4 脉冲星可视化结果

图9～图13给出脉冲星数据在WWT上的可视化结果。

由图10可见，脉冲星在天球上的分布主要集中在银盘上。从图11和图12可见，正常脉冲星主要集中在银盘附近，而毫秒脉冲星的分布则要分散得多。图13显示球状星团中脉冲星的分布是比较分散的。检查球状星团脉冲星列表，可以看出以毫秒脉冲星居多，因此可以解释毫秒脉冲星和正常脉冲星分布的差别。本文只是一个简单的示例，读者可以探索自己感兴趣的问题，挖掘WWT的强大功能。

脉冲星可视化漫游制作

图12 毫秒脉冲星（绿色）的可视化结果

上述结果是静态的，如何让它们动起来，并配上美妙的音乐和解说，向人们展示自己探索的宇宙奥秘？这可以借助WWT的漫游制作功能。漫游是WWT开发的可播放或编辑的教育和科普工具，WWT官网提供了国外最新制作的漫游，并不断更新，涵盖了银河系、行星、黑洞和超新星等内容的介绍，点击相应的漫游即可自动下载并播放。我们将脉冲星数据可视化的结果制作成了漫游，以动态的形式展示脉冲星在天球上的分布情况，漫游下载网址如下http∶//www.gdtw.org.cn/NewsDetail. aspx?code=0902&id=851。我们将继续用WWT来制作新的漫游节目，用于天文教学和科普，也非常欢迎爱好者们的参与。

图11 正常脉冲星（黄色）可视化结果

（责任编辑 张长喜）

图13 球状星团脉冲星（红色）的可视化结果