Эксперименты по восстановлению профилей дисперсий в трех направлениях для NGC1167 (UGC2487)

Сначала всякие настройки и импорты



In [1]:

    
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from numpy import poly1d, polyfit, power
import scipy.optimize
from math import *
from IPython.display import HTML
from IPython.display import Image
import os
import PIL as pil
import heapq
from matplotlib.ticker import MultipleLocator, FormatStrFormatter
import matplotlib.cm as cm
%matplotlib inline

#Размер изображений
import matplotlib.pylab as pylab
pylab.rcParams['figure.figsize'] = 12, 12

#Наклон галактики по данным Засова
incl=36.0

# Масштаб пк/секунда из NED
scale=321

#Эффективный радиус балджа
r_eb = 6.7

Всякие картинки и БД для большего удобства:



In [2]:

    
# Данные из SDSS DR9
HTML('<iframe src=http://skyserver.sdss3.org/dr9/en/tools/explore/obj.asp?ra=03:01:42.4&dec=+35:12:21 width=1000 height=350></iframe>')









    Out[2]:



In [3]:

    
# Данные из HYPERLEDA
HTML('<iframe src=http://leda.univ-lyon1.fr/ledacat.cgi?o=ngc1167 width=1000 height=350></iframe>')









    Out[3]:



In [4]:

    
# Данные из NED
HTML('<iframe src=http://ned.ipac.caltech.edu/cgi-bin/objsearch?objname=ngc+1167&extend=no&hconst=73&omegam=0.27&omegav=0.73&corr_z=1&out_csys=Equatorial&out_equinox=J2000.0&obj_sort=RA+or+Longitude&of=pre_text&zv_breaker=30000.0&list_limit=5&img_stamp=YES width=1000 height=350></iframe>')









    Out[4]:



In [5]:

    
os.chdir("C:\\science\\2FInstability\\data\\ngc1167")

#Изображения, которые имеют отношение
try:
    from PIL import Image
except:
    import Image

fig, subplot = plt.subplots(1, 2)
subplot[0].imshow(np.asarray(Image.open("ngc1167_JHK.jpg")))
subplot[0].set_title("2MASS image JHK")
subplot[1].imshow(np.asarray(Image.open("ngc1167_SDSS.jpeg")))
subplot[1].set_title("SDSS DR9 whole image")
plt.show()

plt.imshow(np.asarray(Image.open("ugc2487.png")))
plt.title("Image with HI surf. dens.")
plt.show()



In [6]:

    
#Выводим данные за header-а файла
for line in file("v_stars_maZ.dat"):
    if line[0] == '#':
        print(line)









    



# UGC 2487 = NGC 1167

# Zasov+08

# PA = 70 deg

# not corrected for V_sys

# inclination = 36 deg

# data ARE NOT corrected for inclination

# SSBS_FUL: Cross correlation with star HD20893.ln

# Original spectra:n1167ma.ln

#  r"      v    dv   sig(TD) dsig

# (1)      (2)   (3)    (4)  (5)

Выведем также для удобства данные из обоих файлов:



In [7]:

    
# ma = pd.read_csv('v_stars_maZ.dat', skiprows=10, sep='  ', header=False)
# HTML(ma.to_html())



In [8]:

    
# mi = pd.read_csv('v_stars_miZ.dat', skiprows=10, sep='   ', header=False)
# HTML(mi.to_html())

Посмотрим теперь на все доступные даные по кривым вращения.



In [9]:

    
# Данные по звездной кинематике Засова 2012 вдоль большей полуоси, не исправленные за наклон 
zasov_raw_data = np.loadtxt("v_stars_maZ.dat", float)
r_ma, vel_ma, e_vel_ma, sig_ma, e_sig_ma = zip(*zasov_raw_data)

# Данные по звездной кинематике Засова 2012 вдоль малой полуоси, не исправленные за наклон 
zasov_raw_data = np.loadtxt("v_stars_miZ.dat", float)
r_mi, vel_mi, e_vel_mi, sig_mi, e_sig_mi = zip(*zasov_raw_data)

# Данные по кинематике газа Struve, WSRT (не исправлено за наклон)
wsrt_raw_data = np.loadtxt("v_gas_WSRT.dat", float)
r_wsrt, vel_wsrt, e_vel_wsrt = zip(*wsrt_raw_data)

# Данные по кинематике газа Noordermee 2007, WSRT (не исправлено за наклон?)
noord_raw_data = np.loadtxt("v_gas_noord.dat", float)
r_noord, vel_noord, e_vel_noord = zip(*noord_raw_data)

plt.plot(r_ma, vel_ma, '.-', label="Zasov 2008, maj")
plt.plot(r_mi, vel_mi, '.-', label="Zasov 2008, min")
plt.plot(r_wsrt, vel_wsrt, '.-', label="gas Struve")
plt.plot(r_noord, vel_noord, '.-', label="gas Noordermeer 2007")
plt.legend()
plt.plot()









    Out[9]:





[]



In [10]:

    
def incline_velocity(v, angle):
    return v / sin(angle * pi / 180)

# Переносит центр в (r0,v0) и перегибает кривую вращения, 
# а также исправляет за наклон если необходимо
def correct_rotation_curve(rdata, vdata, dvdata, r0, v0, incl):
    rdata_tmp = [abs(r-r0) for r in rdata]
    vdata_tmp = [incline_velocity(abs(v-v0), incl) for v in vdata]
    data = zip(rdata_tmp, vdata_tmp, dvdata)
    data.sort()
    return zip(*data)

r_ma_b, vel_ma_b, e_vel_b = correct_rotation_curve(r_ma, vel_ma, e_vel_ma,  0.0, 4959.3, incl)
r_mi_b, vel_mi_b, e_vel_mi_b = correct_rotation_curve(r_mi, vel_mi, e_vel_mi,  0.0, 4959.3, incl)

plt.plot(r_ma_b, vel_ma_b, 'd', label = 'Zasov star maj')
plt.errorbar(r_ma_b, vel_ma_b, yerr=e_vel_b, fmt='.', marker='.', mew=0, color='blue')
plt.plot(r_mi_b, vel_mi_b, '.', label = 'Zasov star min', color='green')
plt.errorbar(r_mi_b, vel_mi_b, yerr=e_vel_mi_b, fmt='.', marker='.', mew=0, color='green')
plt.legend()
plt.plot()









    Out[10]:





[]

В дальнейшем используем только засовские данные по звездам по большой полуоси, приблизим их полиномом.



In [11]:

    
poly_star = poly1d(polyfit(r_ma_b, vel_ma_b, deg=3))

plt.plot(r_ma_b, vel_ma_b, 'x-', color='blue', markersize=6)
test_points = np.arange(0.0, max(r_ma_b), 0.1)
plt.plot(test_points, poly_star(test_points), '-', color='red')
plt.xlabel('$R$'); plt.ylim(0)
plt.ylabel('$V^{maj}_{\phi}(R)$')
plt.show()



In [12]:

    
os.chdir("C:\\Users\\root\\Dropbox\\RotationCurves\\PhD\\paper1\\text\\imgs")

np.save('n1167_maj_rot', zip(r_ma_b, vel_ma_b, e_vel_b))
np.save('n1167_rot_poly', zip(test_points, poly_star(test_points)))

os.chdir("C:\\science\\2FInstability\\data\\ngc1167")

Кривая вращения нам нужна для нахождения соотношения $\sigma_{\varphi}^{2}/\sigma_{R}^{2}$, которое описывается уравнением ${\displaystyle \sigma_{\varphi}^{2}/\sigma_{R}^{2}=0.5\left(1+\frac{R}{\bar{v}_{\varphi}}\frac{d\bar{v}_{\varphi}}{dR}\right)}$ (Binney & Tremaine, 1987) и приближается гладко функцией $f=0.5(1+e^{-R/R_{0}}),$ где $R_{0}$ --- характерный масштаб.

${\bf Примечание:}$ Такое приближение оправдано следующими соображениями. Для равновесного диска верно уравнение, описанное выше. Для твердотельного участка вращения в центральных областях выражение в скобках равно 2, а $\sigma_{\varphi}^{2}/\sigma_{R}^{2}=1$. На плоском участке кривой вращения на периферии диска $\sigma_{\varphi}^{2}/\sigma_{R}^{2}\thickapprox0.5$. Функция $f$ как раз аппроксимирует такое поведение отношения $\sigma_{\varphi}^{2}/\sigma_{R}^{2}$.

Изобразим получившийся профиль $\sigma_{\varphi}^{2}/\sigma_{R}^{2}$, вычисляемый через производную полинома:



In [13]:

    
def sigPhi_to_sigR_real(R):
        return 0.5 * (1 + R*poly_star.deriv()(R) / poly_star(R))

plt.plot(test_points, [sigPhi_to_sigR_real(R) for R in test_points], 'd-', color='blue')
plt.axhline(y=0.5)
plt.axhline(y=0.0)
plt.xlabel('$R$')
plt.ylabel(r"$\sigma_{\varphi}^2/\sigma_{R}^2$")
plt.ylim(0)
plt.show()

Найдем теперь характерный масштаб $f=0.5(1+e^{-R/R_{0}})$:



In [14]:

    
def f(R, Ro):
    return 0.5*(1 + np.exp( -R/Ro ))

xdata = test_points
ydata = sigPhi_to_sigR_real(xdata)

from scipy.optimize import curve_fit
popt, pcov = curve_fit(f, xdata, ydata, p0=[1.0])
Ro = popt[0]

plt.plot(xdata, ydata, 'x-')
plt.plot(xdata, [f(p, Ro) for p in xdata], 's')
plt.axhline(y=0.5)
plt.axhline(y=0.0)
plt.title('$R_{0} = %s $' % Ro)
plt.ylim(0, 2)
plt.show()

Теперь знаем значение отношения $\sigma_{\varphi}^{2}/\sigma_{R}^{2}$ в любой точке, заведем соответствующую функцию:



In [15]:

    
def sigPhi_to_sigR(R):
    return sqrt(f(R, Ro))

Построим графики дисперсий скоростей на луче зрения вдоль большой и малой оси ($\sigma_{los}^{maj}$ и $\sigma_{los}^{min}$):



In [16]:

    
# Исправляем значения вдоль малой оси на синус угла:    
def correct_min(R):    
    return R / cos(incl * pi / 180) 

r_mi_extend = map(correct_min, r_mi)
    
plt.plot(r_ma, sig_ma, 's-', label='$\sigma_{los}^{maj}$')
plt.errorbar(r_ma, sig_ma, yerr=e_sig_ma, fmt='.', marker='.', mew=0, color='blue')
plt.plot(r_mi_extend, sig_mi, 's-', label='$\sigma_{los}^{min}$')
plt.errorbar(r_mi_extend, sig_mi, yerr=e_sig_mi, fmt='.', marker='.', mew=0, color='black')
plt.xlabel('$R$')
plt.ylabel('$\sigma$')
plt.legend()
plt.show()

Перегнем и приблизим полиномами:



In [17]:

    
bind_curve = lambda p: (abs(p[0]), abs(p[1]), p[2])
sig_maj_data = zip(r_ma, sig_ma, e_sig_ma)
sig_maj_data = map(bind_curve, sig_maj_data)
sig_maj_data.sort()
radii_maj, sig_maj_p, e_sig_maj_p = zip(*sig_maj_data) 

poly_sig_maj = poly1d(polyfit(radii_maj, sig_maj_p, deg=9))

sig_min_data = zip(r_mi_extend, sig_mi, e_sig_mi)
sig_min_data = map(bind_curve, sig_min_data)
sig_min_data.sort()
radii_min, sig_min_p, e_sig_min_p = zip(*sig_min_data) 

# Добавляем лишние точки чтобы протянуть дальше
num_fake_points = 10; expscale = 200.0
# fake_radii, fake_sig = zip(*[(31.0 + i, 115*exp(- i / expscale )) for i in range(1, num_fake_points+1)])
fake_radii, fake_sig = (),()

poly_sig_min = poly1d(polyfit(radii_min + fake_radii, sig_min_p + fake_sig, deg=9))

points = np.arange(0, max(radii_min), 0.1)
plt.plot(radii_maj, sig_maj_p, 's', label='$\sigma_{los}^{maj}$', color='blue')
plt.errorbar(radii_maj, sig_maj_p, yerr=e_sig_maj_p, fmt='.', marker='.', mew=0, color='blue')
plt.plot(points, poly_sig_maj(points), label = '$\sigma_{los}^{maj} polyfit$', color='blue')
plt.plot(radii_min, sig_min_p, 's', label='$\sigma_{los}^{min}$', color='red')
plt.errorbar(radii_min, sig_min_p, yerr=e_sig_min_p, fmt='.', marker='.', mew=0, color='red')
plt.plot(points, poly_sig_min(points), label = '$\sigma_{los}^{min} polyfit$', color='red')
plt.plot(fake_radii, fake_sig, 'bs', color='green', label='$fake points$')
plt.legend()
plt.ylim(0,250)
plt.xlim(0,55)
plt.show()



In [18]:

    
os.chdir("C:\\Users\\root\\Dropbox\\RotationCurves\\PhD\\paper1\\text\\imgs")

np.save('n1167_maj', zip(radii_maj, sig_maj_p, e_sig_maj_p))
np.save('n1167_min', zip(radii_min, sig_min_p, e_sig_min_p))

os.chdir("C:\\science\\2FInstability\\data\\ngc1167")



In [19]:

    
# Граница. по которой обрезаем
cutted = 3.
# cutted = r_eb

sig_maj_data = zip(radii_maj, sig_maj_p, e_sig_maj_p)
sig_maj_data = filter(lambda l: l[0] > cutted, sig_maj_data)
radii_maj, sig_maj_p, e_sig_maj_p = zip(*sig_maj_data) 

sig_min_data = zip(radii_min, sig_min_p, e_sig_min_p)
sig_min_data = filter(lambda l: l[0] > cutted, sig_min_data)
radii_min, sig_min_p, e_sig_min_p = zip(*sig_min_data) 

points = np.arange(0, max(radii_min), 0.1)
plt.plot(radii_maj, sig_maj_p, 's', label='$\sigma_{los}^{maj}$', color='blue')
plt.errorbar(radii_maj, sig_maj_p, yerr=e_sig_maj_p, fmt='.', marker='.', mew=0, color='blue')
plt.plot(points, poly_sig_maj(points), label = '$\sigma_{los}^{maj} polyfit$', color='blue')
plt.plot(radii_min, sig_min_p, 's', label='$\sigma_{los}^{min}$', color='red')
plt.errorbar(radii_min, sig_min_p, yerr=e_sig_min_p, fmt='.', marker='.', mew=0, color='red')
plt.plot(points, poly_sig_min(points), label = '$\sigma_{los}^{min} polyfit$', color='red')
plt.axvline(x=cutted, color='black')
plt.legend()
plt.ylim(0, 250)
plt.show()