GWPY:發現重力波的機構使用的Python套件
GWPY:發現重力波的機構使用的Python套件
2016.02.16 | 科技

圖說明

文章為《數位時代》獲授權轉載自編程派

美國科學家11日宣佈,他們去年9月首次探測到重力波。這一發現印證了物理學大師愛因斯坦100年前的預言。宣佈這一發現的,是鐳射干涉重力波天文臺(LIGO)的負責人。

這個機構誕生於上世紀90年代,進行重力波觀測已經有近30年。那麼觀測到的重力波資料的量應該很大,科學家如何對這些資料進行分析?有沒有用到Python程式設計語言?

答案是肯定的。筆者在Github上發現了一個專門用於分析重力波資料的Python套件:GWPY。據維護者介紹,GWPY的程式碼來自LIGO和另一個名叫Virgo的機構,維護者將這兩個機構科學家的Python程式碼整理,最終的產品就是GWPY這個使用者友好的Python套件。

在具體介紹GWPY之前,先給和筆者一樣不了解的人簡單科普一下重力波和LIGO的相關知識。

什麼是重力波?

圖說明

上圖是兩個黑洞所產生的重力波的3-D模擬圖(NASA)。

首先,什麼是重力波?在物理學上,重力波是愛因斯坦廣義相對論所預言的一種以光速傳播的時空波動,如同石頭丟進水裡產生的波紋一樣,重力波被視為宇宙中的「時空漣漪」。

通常重力波的產生非常困難,地球圍繞太陽以每秒30千米的速度前進,發出的重力波功率僅為200瓦,還不如家用電飯煲功率大。宇宙中大品質天體的加速、碰撞和合併等事件才可以形成強大的重力波,但能產生這種較強重力波的波源距離地球都十分遙遠,傳播到地球時變得非常微弱。

下面分享兩個優秀的影片,很好地解釋了重力波及背後的原理。第一個來自LIGO,第二個則是比較通俗的漫畫式講解。

###LIGO科學家的解釋:
http://v.qq.com/boke/page/g/0/0/g0184mxwie0.html

###漫畫式通俗解釋:
http://v.qq.com/page/j/x/u/j0184qlilxu.html

LIGO是什麼?

鐳射干涉重力波觀測站( Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)LIGO是加州理工學院(Caltech)和麻省理工學院(MIT)的合作實驗室,現在也有其他的大學參與。實驗資金來源於美國國家科學基金會。LIGO是用來尋找宇宙中的重力波,從而可以驗證黑洞的存在和檢驗廣義相對論。

圖說明

LIGO主要有兩個觀測點,位於路易斯安那Livingston Parish的LIGO Livingston觀測點,和華盛頓 Hanford的LIGO Hanford觀測點。除此之外,在加州Passadena 的Caltech校園中還有LIGO 40m Prototype 。

LIGO是如何探測重力波的?

影片:LIGO是如何探測重力波的?

GWPY:LIGO用它分析重力波資料?

圖說明

接下來是本文的重頭戲。我們一起來學習如何GWPY分析重力波資料。下面的介紹及示例均來自GWPY的官方文件。

安裝

很簡單,pip install gwpy就可以完成安裝。

不過安裝的過程可能會比較長,因為gwpy使用的依賴套件比較多,套件括numpy、 scipy、 cycler、matplotlib、astropy等。

物件導向程式設計

GWPY是一個物件導向程式設計的Python套件,也就是說,資料物件是這個套件的核心關注點。每一個資料物件都體現為一個類實例,套件含了其屬性和套件含的資料。

如果想創建一個新的類實例,建議使用標準的構建器(constructor)。舉個例子,我們可以使用一個資料陣列,生成一個TimeSeries物件:

from gwpy.timeseries import TimeSeries
mydata = TimeSeries([1,2,3,4,5,6,7,8,9,10],sample_rate=1, epoch=0)

或者從線上資料伺服器上下載:

from gwpy.timeseries import TimeSeries
mydata = TimeSeries.fetch('H1:LDAS-STRAIN', 964656015, 964656615)

核心資料物件

據介紹,GWPY提供了4種核心資料物件,分別代表重力波探測器所產生的四種標準資料:

• TimeSeries(時間序列資料)
• Spectrum(光譜數據)
• Spectrogram(光譜圖)
• DataQualityFlag

重力波數據視覺化

我們知道,將重力波探測器收集的資料視覺化,對於理解重力波的特性、研究重力波信號來說非常有説明。gwpy.plotter模組中提供了一些plot類,可以直觀地展示相應的資料類型。

GWPY的核心資料物件裡,大部分都內置有一個plot()方法,可以讓研究人員快速對某個資料集進行視覺化展示。舉個例子:

from gwpy.timeseries import TimeSeries
data = TimeSeries.fetch('H1:LDAS-STRAIN', 968654552, 968654562)
plot = data.plot()
plot.show()

圖說明

GWPY:利用公開的LIGO資料進行繪圖

我們接下來利用LIGO公開的一些重力波時間序列資料進行繪圖。我們可以直接線上載入這些資料。首先導入我們需要的模組:

from urllib2 import urlopen
from numpy import asarray
from gwpy.timeseries import TimeSeries

然後,下載資料,保存為文本字串:

data = urlopen('http://www.ligo.org/science/GW100916/L-strain_hp30-968654552-10.txt').read()

現在,我們可以對文本進行解析,補充必要的中繼資料之後,就可以生成一個TimeSeries:

ts = TimeSeries(asarray(data.splitlines(), dtype=float),
                 epoch=968654552, sample_rate=16384, unit='strain')

最後,我們就可以繪圖了:

plot = ts.plot()
plot.set_title('LIGO Livingston Observatory data for GW100916')
plot.set_ylabel('Gravitational-wave strain amplitude')
plot.show()

圖說明

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小店成團,地方開張!第4屆小店永豐計畫,看微型經濟如何自立利人
小店成團,地方開張!第4屆小店永豐計畫,看微型經濟如何自立利人

一間小店的行動,如何匯聚成改變地方的能量?由永豐金控支持、永豐基金會推動的第4屆「小店永豐故事展」,10月1日於台北華山1914文化創意產業園區中4B館登場,精選展出10家來自全台各地的在地實踐故事。現場由入選團隊高雄「台青蕉」香蕉創意工作坊旗下的台青蕉樂團,以活力充沛的不插電演出點燃氛圍。

「台青蕉樂團帶來充滿在地生命力的演出,熱鬧活潑的演唱,就像小店的鮮活生命力。」永豐基金會董事長陳思寬表示,「當有人看見、有人回應、有人加入,一間小店的行動,就會慢慢成為一群人的力量。」她也邀請民眾週末前往華山,「走走、看看、吃吃、買買,讓我們一起成為改變地方的力量。」

10家獲選小店,橫跨飲食、工藝與循環經濟

「小店永豐計畫」源自永豐金控深耕在地、關注不同群體獨特需求的理念,以經濟為樞紐轉動地方生活。計畫自2022年10月啟動,每年投入上千萬資源,支持兼具自立與利人精神的小店,足跡遍及臺灣本島與離島城鄉,逐漸在社會各角落帶來迴響。

今年成果發表以「成團,開張!」為題,10家獲選小店齊聚華山,把一路累積的方法與故事向更多人打開,呈現10個正在地方發生的行動。本屆小店的經營型態涵蓋飲食、文化、工藝、環境、循環經濟及社會參與,領域各異,共同之處在於讓原本停下來、散開來,或逐漸被遺忘的人事物重新產生關係:地方因此開始說話,文化開始流動,人重新聚在一起。

作為微型經濟主體,小店靈活發展出多元型態的交流體驗,從量到質,再走向有意識的串連協作,成為社區鄉里的韌性據點。從一間店到一個街區,再從街區擴展至鄉里,大企業觸及不到的人間煙火,就由小店帶來改變。

addLEss把舊衣送回市場、杉恆壹樹讓玫瑰進企業供應鏈

同樣從地方需求出發,兩家獲選小店各自找到不同的熱情領域。

身為母親,也愛買衣服,「addLEss循環時尚」創辦人黃瑾茹不捨衣物因孩子長大或喜新厭舊而閒置,以「讓舊衣重返市場、平價流通」為初衷創辦平台,投入後才發現營運遠比預期複雜。

在addLEss,二手衣須歷經「初篩、細篩、送洗、定價、上架、拍照、入庫」7道工序,並依品質細分為5級。目前平台每月處理的衣物,上架率僅約4成;其餘6成無法上架的衣物,則依特性捐贈社福機構,或轉製為再生衣架等環保商品。

「單純的二手衣買賣,我認為還不足以解決衣物浪費的問題,我想做的是盡可能讓所有衣服都進到循環。」黃瑾茹指出,二手衣產業的流程高度仰賴人工、產能有限,是營運最大的瓶頸,也是她參與「小店永豐計畫」的契機。

#2 永豐基金會
圖/ 永豐基金會

在永豐支持下,addLEss導入AI智慧倉儲、將超商物流納入衣循環生態系,預計處理量可提升至3倍。在參與計劃過程中,她印象深刻的是永豐評審曾說:「我覺得你是想要做一個生態系」,這句話說中她心中所想、令她倍感欣慰。隨著數位後台逐步完備,黃瑾茹期盼串連更多品牌與消費者投入減碳經濟,朝著「讓每件衣服都有去處」的目標邁進。

在高雄杉林,青農王宥勝則把家中原本打算收掉的休閒農場,轉型為有機食用玫瑰產地。

擁有20年餐飲資歷的他,起初將玫瑰製成花醬赴歐洲參賽,沒想到獲得不錯的成果,就此帶著家裡轉種玫瑰,將食用玫瑰嫁接於台灣原生薔薇,種植有機樹玫瑰。「我不想只是當一個年輕的勞動力,而是希望我的投入能為地方帶來新氣象。」王宥勝表示,盼藉由玫瑰提升地方認同感,因此他將大愛商業中心建置作為地方創生基地,讓在地人有地方可匯集、也讓外地人藉此認識杉林。

#1 永豐基金會
圖/ 永豐基金會

隨著產量暴增,玫瑰也成為連結社區長輩的紐帶。周邊客家、閩南與原住民社區的長輩會協助分選、撥花,動動手指、也聊聊天;再結合在地小農契作,產量從年產270公斤躍升至月產1,800公斤,所種植的玫瑰原料更進入知名企業供應鏈,玫瑰果醬與花茶亦獲iTQi星級肯定。

王宥勝坦言,第2屆曾報名未入選,本屆獲選後認為,除了有資金挹注,最大的支持是曝光。在永豐支持下,他將持續優化新設的青農共創基地;短期讓大家知道國產玫瑰可媲美進口玫瑰,長期則期待台灣成為玫瑰輸出國,「希望大家想到台灣有機玫瑰的時候,可以想到高雄杉林!」

小店持續發光,第5屆小店永豐計畫啟動徵選

除了成果發表,本屆「小店永豐故事展」同步於華山1914文化創意產業園區中4B館展出。作為永豐基金會每年匯集地方第一線觀察與土地故事的平台,今年透過10家獲選小店的實踐行動,向大眾展現地方正在萌芽的轉變。

10月3日至4日週末登場的「小店永豐市集」,更集結眾多小店設攤,讓民眾在走逛、品嚐與選購之間,近距離感受扎根在地的鮮活風土。

隨著第4屆圓滿落幕,第5屆「小店永豐計畫」也已正式展開徵選,持續尋找兼具自立與利他精神的在地經營者。永豐基金會將持續提供實質資金、陪伴資源與推廣舞台,支持更多以一間店回應地方需求的夥伴;當更多小店加入,原本散落各地的人事物得以重新連結,地方的未來,也有了繼續發生的可能。

第5屆小店永豐計劃徵選資訊請見官網 https://www.sinopacfoundation.org.tw/sinopac_found/public/event-method.html

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