こんにちは！
Pythonで太陽系の天体位置を描画してみるという記事が面白かったので、次は、3Dシミュレーションしてみます。
今回扱う天体
太陽系の天体は８つありますが、全部扱うと、太陽〜火星が観測しにくいです。
そこで今回は以下の天体に絞りました。
水星、金星、地球、火星
やりたいこと
要件は以下の3つ。
- 3Dシミュレーションする
- 月と季節が分かるようにする
- 様々な角度から見えるようにする
環境構築
Pythonの仮想環境を作ります。
python -m venv solar-system-orbits-3d
cd solar-system-orbits-3d
ディレクトリに移動した直後の状態
$ ls
bin/ include/ lib/ pyvenv.cfg
仮想環境の有効化
source bin/activate
必要なライブラリのインストール
pip install plotly astropy numpy
plotlyとは
データの可視化を行うライブラリです。
matplotlibよりも柔軟な対応ができます。
今回、matplotlibでは実現が難しい部分があったので、こちらを利用しました。
astropyとは
天文学の計算とデータ分析を行うライブラリです。
星や惑星の位置の計算、時間の変換、天文データの読み書き、単位変換など、天文学に特化した機能を備えてます。
コード
import plotly.graph_objs as go
from astropy.coordinates import get_body_barycentric_posvel, solar_system_ephemeris
from astropy.time import Time
import numpy as np
import astropy.units as u
from datetime import datetime
# 現在の日付から経過日数を計算（年初からではなく、前年の同日から）
today = datetime.now()
start_of_last_year = datetime(today.year - 1, today.month, today.day)
elapsed_days = (today - start_of_last_year).days
# アニメーションの設定
total_frames = 72
# 現在の月を取得
current_month = datetime.now().month
# 現在の日付から月の名前を取得
current_month_name = datetime.now().strftime("%B")
# 現在の季節を判定
if 3 <= current_month <= 5:
current_season = "spring"
elif 6 <= current_month <= 8:
current_season = "summer"
elif 9 <= current_month <= 11:
current_season = "autumn"
else:
current_season = "winter"
# 惑星のリストと色
planets = ['mercury', 'venus', 'earth', 'mars']
planet_colors = ['gray', 'orange', 'blue', 'red']
# 季節のインデックスに基づいて季節の名前を取得するための辞書
season_names = {0: "spring", 1: "summer", 2: "autumn", 3: "winter"}
# 季節ごとの背景色（辞書形式で指定）
season_colors = {
"spring": 'rgba(255, 120, 120, 0.5)', # 春 - 桜色（淡いピンク）
"summer": 'rgba(120, 180, 120, 0.5)', # 夏 - 新緑色（淡い緑）
"autumn": 'rgba(255, 93, 56, 0.5)', # 秋 - 紅葉色（淡いオレンジ）
"winter": 'rgba(240, 240, 240, 0.5)' # 冬 - 雪色（淡いグレー）
}
# 初期季節の背景色を設定
initial_bgcolor = season_colors[current_season]
season_titles = {
"spring": "Spring",
"summer": "Summer",
"autumn": "Autumn",
"winter": "Winter"
}
# フレームごとの季節を決定するための関数
def get_season_for_frame(frame_index, total_frames):
season_index = (frame_index * 4) // total_frames
return season_names[season_index]
# 軌道データを計算（前年の同日から現在日まで）
orbit_traces = []
with solar_system_ephemeris.set('builtin'):
for planet in planets:
# 現在の位置から過去1年間のデータを計算
time_step = np.linspace(elapsed_days - 365, elapsed_days, total_frames) * u.day
positions, _ = zip(*[get_body_barycentric_posvel(planet, Time.now() - t, ephemeris='builtin') for t in time_step])
xyz = np.array([pos.xyz.to(u.au).value for pos in positions])
orbit_traces.append(xyz)
# 太陽
sun = go.Scatter3d(x=[0], y=[0], z=[0], mode='markers', name='Sun', marker=dict(size=5, color='yellow'))
# 初期フレームのデータを作成（現在の位置から）
initial_data = [sun] + [
go.Scatter3d(
x=orbit[-1:, 0], y=orbit[-1:, 1], z=orbit[-1:, 2],
mode='lines+markers',
name=planet,
line=dict(color=color),
marker=dict(size=1, color=color)
)
for planet, orbit, color in zip(planets, orbit_traces, planet_colors)
]
# 初期季節の背景色とタイトルを設定
initial_bgcolor = season_colors[current_season]
initial_title = f"Solar System Planet Orbits - Animated: {current_month_name} / {season_titles[current_season]}"
# 初期カメラ設定（視点を調整）
initial_camera = dict(
eye=dict(x=1.5, y=1.5, z=0.1),
up=dict(x=0, y=0, z=1)
)
# 現在の季節に基づいて開始インデックスを計算
season_start_indexes = {"spring": 0, "summer": total_frames // 4, "autumn": total_frames // 2, "winter": 3 * total_frames // 4}
start_frame_index = season_start_indexes[current_season]
# 現在の季節のインデックス
current_season_index = list(season_names.values()).index(current_season)
# フレームごとに季節と月を更新するための関数
def get_season_and_month_for_frame(frame_index, total_frames):
# 現在の月から季節を決定する関数
def get_season_from_month(month):
if 3 <= month <= 5:
return "spring"
elif 6 <= month <= 8:
return "summer"
elif 9 <= month <= 11:
return "autumn"
else:
return "winter"
# 月を計算（現在の月から始める）
month_index = (current_month - 1 + frame_index * 12 // total_frames) % 12 + 1
# 月に基づいて季節を決定
season = get_season_from_month(month_index)
return season, month_index
# アニメーションの各フレームを作成
frames = [
go.Frame(
data=[sun] + [
go.Scatter3d(
x=orbit[-i-1:, 0].tolist(),
y=orbit[-i-1:, 1].tolist(),
z=orbit[-i-1:, 2].tolist(),
mode='lines+markers',
name=planet,
line=dict(color=color),
marker=dict(size=1, color=color)
)
for planet, orbit, color in zip(planets, orbit_traces, planet_colors)
],
layout=go.Layout(
scene=dict(
bgcolor=season_colors[get_season_and_month_for_frame(i, total_frames)[0]]
),
title=f"Solar System Planet Orbits - Animated: {datetime(2023, get_season_and_month_for_frame(i, total_frames)[1], 1).strftime('%B')} / {season_titles[get_season_and_month_for_frame(i, total_frames)[0]]}"
)
)
for i in range(total_frames)
]
# レイアウト設定
layout = go.Layout(
title=initial_title,
scene=dict(
xaxis=dict(title='X AU'),
yaxis=dict(title='Y AU'),
zaxis=dict(title='Z AU'),
bgcolor=initial_bgcolor,
camera=initial_camera
),
scene_aspectmode='cube',
updatemenus=[dict(
type="buttons",
buttons=[
dict(
label="Play",
method="animate",
args=[None, {"frame": {"duration": 500, "redraw": True}, "fromcurrent": True, "repeat": True}]
),
dict(
label="Pause",
method="animate",
args=[[None], {"frame": {"duration": 0, "redraw": False}, "mode": "immediate"}]
)
]
)]
)
# フィギュアの作成
fig = go.Figure(data=initial_data, layout=layout, frames=frames)
# フィギュアの表示
fig.show()
実行結果
python main.py
ブラウザが起動します。
こちらは起動直後の状態。
太陽と、水星、金星、地球、火星がプロットされてますね。
それでは、Playで再生してみましょう。（以降、Pauseで止めてスクショ）
プロットが始まり、軌道が描画されます。この時点で2月。まだ冬ですね。
軌道が少し進んで、5月。
続いて8月。
そして11月。シミュレーションはここまでです。
続いて、様々な角度から見てみます。
立体的に見れると面白いですね！
いずれ、銀河系にチャレンジしようと思います！
まとめ
今回は、太陽系を3Dシミュレーションしてみました。
まだまだ改善点はありますが、こうやって動くと、すごくワクワクしますね
宇宙にはたくさん面白いものがあるので、どんどんチャレンジしてみようと思います！
みなさんも一緒に頑張りましょう