Häufig verwendete Software


Hier ist zu unterscheiden, welches Betriebssystem man verwendet oder verwenden will, Windows oder Linux.

Linux kann unter Windows XP auch simuliert werden mit dem Programm "cygwin". Für cygwin gibt es eine speziell kompilierte MIDAS-Version. Allerdings laufen scripte unter cygwin langsamer als in einem Original-Linux-Betriebssystem (Ubunto, openSuse,...). Unter Vista habe ich vor kurzem Schwierigkeiten gehabt, überhaupt das X-System in cygwin zu starten.

Auf zusätzliche Möglichkeiten der Betriebssystem-Emulierung wie VMware möchte ich mangels eigener Erfahrungen hier nicht eingehen.


MIDAS (unter Linux)

Das von den europäischen Astronomen verwendete ESO-MIDAS ist unter Linux lauffähig. Eine Windows-Version gibt es davon nicht. Es ist kostenlos herunterladbar von der ESO-website.

Die möglichen Plattformen sind: * SUN Solaris 8 * Intel/Linux SuSE 10.3 * AMD 64/Linux SuSE 10.3 * INTEL/Linux Kubuntu 7.04 * INTEL/Linux Kubuntu 7.10 * INTEL/Linux Fedora 8 * INTEL/Linux Mandriva 2008 Spring * INTEL/Linux Debian 4.0 Etch * INTEL/Linux ScientificLinux 5.0 * PowerPC/Mac OSX 10.4 * INTEL/Win 2000, Win XP (via cygwin)

MIDAS besteht aus einer Unzahl von Skripten und Umgebungen ("context"). Angefangen von der Prüfung der CCD, Bildbearbeitung, komplexen Auswertungen wie Zeitreihenanalysen, aber auch spezielle Auswerte-scripte für die Spektroskopie vom Spaltspektrograph bis hin zu den Echelle-Spektrographen - alles ist in MIDAS zu finden. Allerdings sind die scripte in einer Linux-Konsole mittels Befehlen zu steuern. Es ist für den Mausklick-verwöhnten Anfänger aus der Windows-Welt wegen der ungewohnten Syntax schwierig, sich einzuarbeiten. Deshalb hat unser Freund Günter Gebhard aus Neumarkt -Günter sei Dank - Scripte verfaßt, welche die komplexen Datenreduktionsvorgänge im Hintergrund automatisch ablaufen lassen, so daß die Anzahl der vom Nutzer einzugebenden Befehle übersichtlich bleibt. Vieles wird auch per Mausklick erledigt. Diese Wunderwerke von Datenreduktions-Programmen können Sie hier unter "Datareduction" kostenlos herunterladen. Der Kontext OPA ist für spaltlose Spektrographen, und SMS für Spaltspektrographen konzipiert, weil zwischen beiden Spektrographentypen prinzipielle Unterschiede in der Auswerteroutine bestehen. Ich kenne kein Programm, das so unkompliziert und schnell Rohaufnahmen eines Spaltspektrographen in das kalibrierte Spektrum überführt: Mit 3 Befehlen in SMS ist das in wenigen Minuten erledigt. Dazu kommen dann noch optionale Befehle für die Bestimmung der Auflösung, Normierungsvarianten, Äquivalentweitenbestimmung von Linien, Abspeicherung von Spektren (Grafiken) in unterschiedlichen Formaten (.png, .bmp, .pdf ...) und einiges mehr - je nachdem was man möchte.

SMS und OPA unter MIDAS protokollieren jeden Programmschritt und speichern auch die Zwischenergebnisse (Spektren, Mediane von Darks etc.), so daß eine durchgeführte Auswertung bis in das kleinste Detail nachuntersucht werden kann, wenn man das wünscht. Das bieten nichtprofessionelle Programme aus der Amateurszene in dieser stringenten Form nicht. Da muß man Ergebnis glauben und wenn was ungewöhnliches auftritt weiß man nicht, was wo passiert ist.

Wenn man noch nie mit Linux gearbeitet hat, sind einige Hürden zu überwinden und der innere Schweinehund dazu. Zuerst ist das Betriebssystem Linux zu installieren, was man auch parallel zu Windows auf einem PC (in verschiedenen Festplattenpartitionen) tun kann. Man hat dann beide Betriebsysteme auf dem gleichen PC zur Verfügung. Die Linuxdistributionen (openSuse, Ubunto u.a.) geben bei der Installation Gelegenheit dazu. Falls Windows die komplette Festplatte besetzt (es hat eben ein einnehmendes Wesen), muß man vorher die Größe dieser Windows-Partition verkleinern. Unter Vista kann man das in der Systemsteuerung/Verwaltung/Datenträgerverwaltung mit dem Befehl "Volume verkleinern" erledigen. Für ein modernes Linux-System sollte man mindestens 5 GB zur Verfügung haben. Wenn man viele Aufnahmen speichern will, eher noch mehr. Das hängt von der verfügbaren Festplattenkapazität Ihres PC's oder Labtops ab. Das Linux-Betriebssystem selbst benötigt schon über 2 GB, wenn grafische Oberfläche (KDE oder GNOME) ähnlich der in Windows gewünscht ist.

Wenn Linux installiert ist kommt der zweite Schritt: Die Installation von MIDAS. Dazu gibt es auf der ESO-website immer eine Installationsanleitung. Die letzte Version ist zu bevorzugen. Derzeit ist es 08FEBpl1.1.

Und der dritte Schritt ist dann die Installation des OPA und/oder des SMS.

Eine sehr nützliche Einführung in MIDAS gibt Günter Gebhard auf seiner website: "Erste Schritte in MIDAS". Eine gute Ergänzung ist hier zu finden (gute Tips zu Alltag mit MIDAS).


SMS (unter ESO-MIDAS unter Linux für die Auswertung von Serienaufnahmen von Spaltspektrographen)

Vorausgesetzt, die mechanische Stabilität des Spektrographen ist ausreichend, daß der Strahlengang innerhalb des Spektrographen während einer Aufnahmeserie nicht verändert wird, sind die Spektrenstreifen der Einzelaufnahmen pixelgenau an der gleichen Stelle, sowohl in Richtung der Dispersion (x-Achse) wie auch quer dazu (y-Achse). Unter diesen Umständen darf man die extrahierten Spektren innerhalb der Datenreduktionsroutine direkt addieren. Dagegen wird bei spaltlosen Spektrographen ein Behandlungsschritt eingeschoben, bei dem die extrahierten1D-Spektren eindimensional in der x-Achse so verschoben werden, daß sie alle exakt übereinander passen.

SMS erledigt die Datenreduktion, ohne daß man Flats, Bias oder Darks zur Verfügung stellen muß. Solche können zwar berücksichtigt werden, aber es geht auch ohne. Bias und Dunkelstrom sind in jeder Einzelaufnahme im Hintergrund neben dem Spektrenstreifen enthalten. Das Script erzeugt für jede einzelne Pixelspalte jeder Aufnahme ein Polynom für den Hintergrund (der sich aus Himmelshintergrund, Streulicht, Dunkelstrom und bias, Ausleserauschen, zusammensetzt) und zieht dieses "Hintergrund-Modell" von jeder Aufnahme ab. Cosmics und heiße Pixel werden statistisch erkannt, wenn einzelne Pixel von den Nachbarpixeln erheblich abweichen. Auch diese werden automatisch durch Filter abgeschwächt. Die Möglichkeit, all das in einem Schritt routinemäßig ohne notwendige Handeingriffe zu erledigen, ist mir von keinem anderen Programm in dieser Konsequenz bekannt. Deshalb verwende ich für die Routine-Reduktion meiner Serienaufnahmen mit dem Spaltspektrographem LHIRES III grundsätzlich SMS.

Nachdem mit den drei ersten Befehlen das mit einem Vergleichsspektrum (Aufnahme einer Kalibrierlampe) kalibrierte Summenspektrum erzeugt wurde ist die Hauptarbeit eigentlich erledigt. Anschließend kann man das Spektrum auf einen Punkt normieren (damit sich die Werte des relativen Fluxes (y-Achse des Graphs des Spektrums) um 1 bewegen und nicht bei irgendwelchen astronomischen Zahlen). Mit dieser "Normierung" wird nur die y-Skala skaliert (mathematisch eine lineare Transformation), das gemessene Spektrum wird an sich nicht verändert.

Anders wird das, wenn man das Spektrum mit dem Kontinuum des Sterns normiert. Dabei muß der Nutzer selbst die Stützstellen per Mausklick festlegen, die das Kontinuum des Sternspektrums definieren. Wenn breite Linien im Spektrum vorhanden sind oder "breite" blends vieler Linien, dann ist diese Festlegung der Stütztstellen "persönlich eingefärbt", also subjektiv. Normierte Spektren sind also keine reinen Meßprodukte, sondern sie sind vom Nutzer beeinflusst. Deshalb speichere ich bei meinen Meßergebnissen immer das originale Summenspektrum und das Einpunkt-normierte Spektrum ab. So kann man auch Jahre später auf Spektren in der Original-Version unter anderen wissenschaftlichen Fragestellungen zurückgreifen und beliebig auswerten. Aus einem aufs Kontinuum normierten Spektrum lässt sich das originalspektrum nicht mehr rekonstruieren, es sei den, man hat die Kontinuumsfunktion (ein spline der manuell eingegebenen Stützstellen) mit abgespeichert.

Man hat noch die Möglichkeit das S/N-Verhältnis des normierten Spektrums zu bestimmen (Signal-Rausch-Verhältnis), Äquivalentweiten der im Spektrum enthaltenen Linien zu messen, den Graphen zu beschriften, den Graphen zu speichern (.gif, oder .jpg oder andere Formate) und einiges mehr.


OPA (unter ESO-MIDAS unter Linux für die Auswertung von Serienaufnahmen von spaltlosen Spektrographen)

OPA ist für die Auswertung von Serienaufnahmen konzipiert, die mit einem spaltlosen Spektrographen gemacht wurden. Ähnlich wie in SMS werden mit wenigen Befehlen die Aufnahmen und die zugehörigen darks, biasis und flats zu einem korrigierten Summenspektrum vereinigt. In OPA sollten mindestens darks verwendet werden, aufgenommen unter gleichen Bedingungen und mit gleicher Belichtungszeit wie die Objektaufnahmen. Flats sollten einbezogen werden, wenn sie guter Qualität sind. Die Eingabe eines Kalibrierspektrums ist hier nicht erforderlich. Stattdessen werden die extrahierten 1D-Einzelspektren mittels Korrelationen passend übereinander gelegt und addiert zu einem Summenspektrum, das anschließend kalibrierbar ist. Die Kalibrierung erfolgt durch Identifizierung von Linien des Spektrums. Die Kalibrierung erfolgt dann allerdings im Bezugssystem des Objekts. Kommt es auf die absolute Kalibrierung an, um z.B. Radialgeschwindigkeiten zu messen, muß mit Linien kalibriert werden, die im Bezugssystem des Beobachters gemessen wurden. Zum Glück gibt es solche: Die terrestrischen Linien, die in der Erdatmosphäre (Luft) gebildet werden (Sauerstoffbanden und Wasserlinien). Das gelingt besonders gut bei der H alpha Linie des neutralen Wasserstoffs bei 656,3 nm. Nach der Kalibrierung kann wieder normiert werden und es stehen eine Reihe von Skripten zur Verfügung, um Größen wie das S/N, Äquivalentweiten von Linien, V/R-Verhältnis (bei Be-Sternen) und beschriftete Graphen zu erzeugen.

Übrigens: Die sehr scharfen Wasserlinien sieht man erst ab Auflösungen R = ca. 6000, schärfer ab 10000. Sie haben nämlich physikalische Linienbreiten im Bereich weniger Hundertstel Angström. Ihr Linienprofil im gemessenen Spektrum spiegeln also die Abbildungsfunktion des Spektrographen wider. Aus ihnen lässt sich unmittelbar die erreichte Auflösung ableiten.


VSpec (Windows)

Vspec ist ein von Valery Desnoux geschriebenes kostenlos erhältliches Programm auf Windows Platform, mit dem ein zuvor (mit IRIS) erzeugtes 2D-Summenspektrum oder auch eine unbehandelte Rohaufnahme zuerst einmal als "Foto" dargestellt wird. Das ganze Programm arbeitet auf grafischer Basis, fast alle Befehle werden durch Mausklicks erledigt. Deshalb ist das Programm für den Anfänger sehr gut geeignet. Er kommt mit deutlich geringerem Zeitaufwand zu passablen Ergebnissen wie im Vergleich zu MIDAS. Um den Spektrenstreifen legt man ein skalierbares Fenster und klick -schon ist das 1D-Spektrum extrahiert. Es lassen sich auch Referenzspektren einbeziehen (wie z.B. die Neonspektren bei Verwendung eines Spaltspektrographen). Zur Kalibrierung des 1D-Spektrums lassen sich dann viele Hilfsmittel aus dem Werkzeugkasten nehmen

  1. Referenzspektren eines typischen Sterns der gleichen Spektralklasse, entnommen aus einer umfangreichen Spektrenbibliothek
  2. Theoretische Linien aus einem Linienkatalog, der alle wichtigen Elemente und Ionen enthält. Ein ungemein praktisches Werkzeug gerade für den Anfänger, der noch Probleme hat, die Linien(muster) eines Spektrums zu erkennen und zu identifizieren.

Nach der Kalibrierung lässt es sich auch leicht durch Mausklicks auf das Kontinuum normieren, wenn man dies möchte. Auch die Bestimmung der Äquivalentweiten ist ein Kinderspiel und sonstige mathematische Operationen mit dem Spektrum, wie z.B. die Korrektur mit einer Responsefunktion der Meßapparatur, gewonnen an einem spektroskopischen Standardstern. Sogar der direkte online-Zugriff auf Daten der SIMBAD-Datenbank sind möglich.

Alles in Allem ein gelungenes Programm, das in den letzten 5 Jahren wesentlich verbessert wurde, insbesondere auch, was den störungsfreien Ablauf (bugs) betrifft. Ich kann es nur jedem Anfänger wärmstens empfehlen, damit ist der Einstieg in die Datenreduktion schnell zu schaffen. Ein Nachteil (?) soll nicht verschwiegen werden: Die verfügbaren Programmsprachen sind Französisch und Englisch.


IRIS (Windows)

IRIS, von Christian Buil geschrieben, ist ein kostenlos erhältliches Bildbearbeitungsprogramm mit dem Schwerpunkt auf der Reduktion von Spektrenaufnahmeserien. Damit werden Cosmics entfernt, die Dunkelstromkorrektur, die Himmelshintergrundkorrektur usw. Am Ende steht steht ein entsprechende Summenaufnahme zur Verfügung, die dann in VSpec extrahiert und weiter verarbeitet wird. Es lässt sich aber auch die Extraktion bereits in IRIS durchführen. Auch hier gilt: "Amtssprachen" sind Englisch und Französisch.


Links zu weiterer Software findet man z.B. auf der website der Fachgruppe Spektroskopie auf dem VdS-Server unter Links >> Datenreduktion. Aber ich denke, die wirklich wichtigen habe ich hier aufgeführt. Ich verwende beide Programm-Komplexe: Ab und zu mal IRIS/VSpec für den schnellen Überblick oder für Linienidentifikationen, für die täglichen Routineauswertungen dagegen SMS und für mehr wissenschaftlich orientierte Auswertungen MIDAS in Form von Einzelbefehlen oder spezieller Skripte.Obwohl es auf den ersten Blick so aussieht, dass IRIS und VSpec doch alles Erdenkliche bieten, ist doch das professionelle MIDAS um Potenzen mächtiger wie die speziell für die Bedürfnisse der Amateurszene geschriebenen Programme.

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