astropy

Astropy

概要

Astropy は天文学向けの Python の中核パッケージであり、天文学の研究とデータ解析に不可欠な機能を提供します。座標変換、単位と量の計算、FITS ファイル操作、宇宙論的計算、高精度な時刻の取り扱い、表形式データの操作、天文画像処理には astropy を使用してください。

このスキルを使用する場面

以下のタスクが含まれる場合に astropy を使用してください：

• 天球座標系間の変換（ICRS、Galactic、FK5、AltAz など）
• 物理単位と量の扱い（Jy から mJy、パーセクから km への変換など）
• FITS ファイル（画像または表）の読み取り、書き込み、操作
• 宇宙論的計算（光度距離、ルックバックタイム、ハッブルパラメータ）
• 異なる時間尺度（UTC、TAI、TT、TDB）と形式（JD、MJD、ISO）を用いた高精度な時刻の取り扱い
• テーブル操作（カタログの読み取り、クロスマッチング、フィルタリング、結合）
• ピクセル座標とワールド座標間の WCS 変換
• 天文学定数と計算

クイックスタート

import astropy.units as u
from astropy.coordinates import SkyCoord
from astropy.time import Time
from astropy.io import fits
from astropy.table import Table
from astropy.cosmology import Planck18

# Units and quantities
distance = 100 * u.pc
distance_km = distance.to(u.km)

# Coordinates
coord = SkyCoord(ra=10.5*u.degree, dec=41.2*u.degree, frame='icrs')
coord_galactic = coord.galactic

# Time
t = Time('2023-01-15 12:30:00', scale='utc')
jd = t.jd  # Julian Date

# FITS files
data = fits.getdata('image.fits')
header = fits.getheader('image.fits')

# Tables
table = Table.read('catalog.fits')

# Cosmology
d_L = Planck18.luminosity_distance(z=1.0)

中核機能

1. 単位と量（astropy.units）

単位を伴う物理量を扱い、単位変換を行い、計算における次元の整合性を確保します。

主な操作：

• 値に単位を乗じて量を生成する
• .to() メソッドを使用して単位間を変換する
• 単位を自動的に処理して算術演算を行う
• 分野固有の変換（スペクトル、ドップラー、視差）に等価性を使用する
• 対数単位（等級、デシベル）を扱う

参照： 包括的なドキュメント、単位系、等価性、パフォーマンス最適化、単位演算については references/units.md を参照してください。

2. 座標系（astropy.coordinates）

天体の位置を表現し、異なる座標フレーム間で変換します。

主な操作：

• SkyCoord で任意のフレーム（ICRS、Galactic、FK5、AltAz など）の座標を生成する
• 座標系間を変換する
• 角度の隔たりと位置角を計算する
• 座標をカタログにマッチングする
• 3D 座標操作のために距離を含める
• 固有運動と視線速度を扱う
• オンラインデータベースから名前付き天体を照会する

参照： 詳細な座標フレームの説明、変換、観測者依存のフレーム（AltAz）、カタログマッチング、パフォーマンスのヒントについては references/coordinates.md を参照してください。

3. 宇宙論的計算（astropy.cosmology）

標準的な宇宙論モデルを用いて宇宙論的計算を行います。

主な操作：

• 組み込みの宇宙論（Planck18、WMAP9 など）を使用する
• カスタムの宇宙論モデルを作成する
• 距離（光度距離、共動距離、角直径距離）を計算する
• 年齢とルックバックタイムを計算する
• 任意の赤方偏移におけるハッブルパラメータを求める
• 密度パラメータと体積を計算する
• 逆計算を行う（与えられた距離に対する z を求める）

参照： 利用可能なモデル、距離計算、時間計算、密度パラメータ、ニュートリノの影響については references/cosmology.md を参照してください。

4. FITS ファイルの取り扱い（astropy.io.fits）

FITS（Flexible Image Transport System）ファイルを読み取り、書き込み、操作します。

主な操作：

• コンテキストマネージャで FITS ファイルを開く
• インデックスまたは名前で HDU（Header Data Unit）にアクセスする
• ヘッダー（キーワード、コメント、履歴）を読み取り、変更する
• 画像データ（NumPy 配列）を扱う
• テーブルデータ（バイナリテーブルと ASCII テーブル）を扱う
• 新しい FITS ファイルを作成する（単一または複数拡張）
• 大きなファイルにメモリマッピングを使用する
• リモートの FITS ファイルにアクセスする（S3、HTTP）

参照： 包括的なファイル操作、ヘッダー操作、画像とテーブルの取り扱い、複数拡張ファイル、パフォーマンスに関する考慮事項については references/fits.md を参照してください。

5. テーブル操作（astropy.table）

単位、メタデータ、さまざまなファイル形式に対応した表形式データを扱います。

主な操作：

• 配列、リスト、辞書からテーブルを作成する
• 複数の形式（FITS、CSV、HDF5、VOTable）でテーブルを読み書きする
• 列や行にアクセスして変更する
• テーブルをソート、フィルタリング、インデックス化する
• データベース形式の操作（結合、グループ化、集計）を行う
• テーブルを積み重ねて連結する
• 単位を認識する列（QTable）を扱う
• マスキングを使用して欠損データを処理する

参照： テーブルの作成、I/O 操作、データ操作、ソート、フィルタリング、結合、グループ化、パフォーマンスのヒントについては、references/tables.md を参照してください。

6. 時刻処理（astropy.time）

時刻を高精度で表現し、時刻系や形式を相互に変換します。

主な操作：

• さまざまな形式（ISO、JD、MJD、Unix など）で Time オブジェクトを作成する
• 時刻系（UTC、TAI、TT、TDB など）を相互に変換する
• TimeDelta を使用して時刻の算術演算を行う
• 観測者の恒星時を計算する
• 光の移動時間の補正（重心補正、太陽中心補正）を計算する
• 時刻配列を効率的に扱う
• マスクされた（欠損）時刻を処理する

参照： 時刻形式、時刻系、変換、算術演算、観測機能、高精度の処理については、references/time.md を参照してください。

7. 世界座標系（astropy.wcs）

画像内のピクセル座標と世界座標を相互に変換します。

主な操作：

• FITS ヘッダーから WCS を読み込む
• ピクセル座標を世界座標に（およびその逆に）変換する
• 画像のフットプリントを計算する
• WCS パラメーター（基準ピクセル、投影法、スケール）にアクセスする
• カスタム WCS オブジェクトを作成する

参照： WCS の操作と変換については、references/wcs_and_other_modules.md を参照してください。

その他の機能

references/wcs_and_other_modules.md ファイルでは、以下の機能についても説明しています。

NDData および CCDData

メタデータ、不確実性、マスキング、WCS 情報を含む n 次元データセットのコンテナーです。

モデリング

天文データの数学モデルを作成し、フィッティングするためのフレームワークです。

可視化

天体画像を適切なストレッチとスケーリングで表示するためのツールです。

定数

適切な単位を備えた物理定数および天文学定数です（光速、太陽質量、プランク定数など）。

畳み込み

平滑化とフィルタリングに使用する画像処理カーネルです。

統計

シグマクリッピングや外れ値の除外など、ロバストな統計関数です。

インストール

# Install astropy
uv pip install astropy

# With optional dependencies for full functionality
uv pip install 'astropy[all]'

AltAz／高精度時刻変換では、IERS の地球姿勢データが使用され、更新データが自動ダウンロードされることがあります。オフライン環境や再現性が求められる作業では、内容を確認済みのローカルテーブルを使用して auto_download=False を設定し、その適用範囲と精度の制限を記録してください。天体名による検索やリモート FITS 操作はネットワークアクセスを伴うため、タスクに適した認可が必要です。クロスマッチングで返されるのは最近傍天体であり（多対一になる場合があります）、物理的に同一であることが確認された天体ではありません。観測時期／固有運動、単位、不確実性、マッチングポリシーを確認してください。すでに単位が付いた列に、再度度単位を乗算しないでください。

一般的なワークフロー

座標系間で座標を変換する

from astropy.coordinates import SkyCoord
import astropy.units as u

# Create coordinate
c = SkyCoord(ra='05h23m34.5s', dec='-69d45m22s', frame='icrs')

# Transform to galactic
c_gal = c.galactic
print(f"l={c_gal.l.deg}, b={c_gal.b.deg}")

# Transform to alt-az (requires time and location)
from astropy.time import Time
from astropy.coordinates import EarthLocation, AltAz

observing_time = Time('2023-06-15 23:00:00', scale='utc')
observing_location = EarthLocation(lat=40*u.deg, lon=-120*u.deg)
aa_frame = AltAz(obstime=observing_time, location=observing_location)
c_altaz = c.transform_to(aa_frame)
print(f"Alt={c_altaz.alt.deg}, Az={c_altaz.az.deg}")

FITS ファイルを読み込んで解析する

from astropy.io import fits
import numpy as np

# Open FITS file
with fits.open('observation.fits') as hdul:
    # Display structure
    hdul.info()

    # Get image data and header
    data = hdul[1].data
    header = hdul[1].header

    # Access header values
    exptime = header['EXPTIME']
    filter_name = header['FILTER']

    # Analyze data
    mean = np.mean(data)
    median = np.median(data)
    print(f"Mean: {mean}, Median: {median}")

宇宙論的距離を計算する

from astropy.cosmology import Planck18
import astropy.units as u
import numpy as np

# Calculate distances at z=1.5
z = 1.5
d_L = Planck18.luminosity_distance(z)
d_A = Planck18.angular_diameter_distance(z)

print(f"Luminosity distance: {d_L}")
print(f"Angular diameter distance: {d_A}")

# Age of universe at that redshift
age = Planck18.age(z)
print(f"Age at z={z}: {age.to(u.Gyr)}")

# Lookback time
t_lookback = Planck18.lookback_time(z)
print(f"Lookback time: {t_lookback.to(u.Gyr)}")

カタログをクロスマッチングする

from astropy.table import Table
from astropy.coordinates import SkyCoord, match_coordinates_sky
import astropy.units as u

# Read catalogs
cat1 = Table.read('catalog1.fits')
cat2 = Table.read('catalog2.fits')

# Create coordinate objects
coords1 = SkyCoord(ra=cat1['RA']*u.degree, dec=cat1['DEC']*u.degree)
coords2 = SkyCoord(ra=cat2['RA']*u.degree, dec=cat2['DEC']*u.degree)

# Find matches
idx, sep, _ = coords1.match_to_catalog_sky(coords2)

# Filter by separation threshold
max_sep = 1 * u.arcsec
matches = sep < max_sep

# Create matched catalogs
cat1_matched = cat1[matches]
cat2_matched = cat2[idx[matches]]
print(f"Found {len(cat1_matched)} matches")

ベストプラクティス

1. 常に単位を使用する：エラーを避け、次元の整合性を保つため、数量に単位を付けます
2. FITS ファイルにはコンテキストマネージャーを使用する：ファイルが適切に閉じられるようにします
3. ループより配列を優先する：パフォーマンスを高めるため、複数の座標や時刻を配列として処理します
4. 座標フレームを確認する：変換の前にフレームを確認します
5. 適切な宇宙論を使用する：解析に適した宇宙論モデルを選択します
6. 欠損データを処理する：欠損値のあるテーブルにはマスク列を使用します
7. 時刻系を指定する：正確な時刻測定のため、時刻系（UTC、TT、TDB）を明示します
8. 単位を扱うテーブルには QTable を使用する：テーブルの列に単位がある場合に使用します
9. WCS の有効性を確認する：変換を使用する前に WCS を確認します
10. 頻繁に使用する値をキャッシュする：計算コストの高い処理（宇宙論的距離など）はキャッシュできます

ドキュメントとリソース

• Astropy 公式ドキュメント：https://docs.astropy.org/en/stable/
• チュートリアル：https://learn.astropy.org/
• GitHub：https://github.com/astropy/astropy

参考ファイル

同梱されている以下の7つのファイルは、簡潔な参照先／プレースホルダーであり、包括的なローカルリファレンスではありません。必要に応じて公式ドキュメントを参照してください。詳細な手順が同梱されているとは記載しないでください。

特定のモジュールの詳細については、以下を参照してください。

• references/units.md - 単位、数量、変換、等価関係
• references/coordinates.md - 座標系、変換、カタログの照合
• references/cosmology.md - 宇宙論モデルと計算
• references/fits.md - FITS ファイルの操作と処理
• references/tables.md - テーブルの作成、入出力、操作
• references/time.md - 時刻形式、時刻系、計算
• references/wcs_and_other_modules.md - WCS、NDData、モデリング、可視化、定数、ユーティリティ

制限事項

• このスキルは、タスクが上記の説明範囲に明確に該当する場合にのみ使用してください。
• 出力を、環境固有の検証、テスト、専門家によるレビューの代わりとして扱わないでください。
• 必要な入力、権限、安全上の境界、または成功基準が不足している場合は、作業を中断して確認を求めてください。