SDSS-DR10中WDMS光谱的自动搜索研究

SDSS-DR10是美国SLOAN巡天望远镜发布的最新数据,包含了首批APOGEE光谱。这些海量的天文光谱除了可以用来探寻银河系的结构和进行多波段证认外,还蕴藏着包括白矮主序双星在内的特殊天体。白矮主序双星是一类特殊的双星系统,它由两颗主序星演化而来,包含了中低质量恒星演化的终点—白矮星,以及M矮星。白矮主序双星对于密近双星的演化和参数研究有积极的意义。目前针对这类特殊天体的发现主要使用测光筛选结合后期观测证认的方法,不但准确率低,而且需要耗费较多的人工处理时间,无法满足在海量光谱数据中快速发现目标天体的需要。提出一种适用于在海量天文光谱中自动、快速发现白矮主序双星的方法。该方法针对SDSS的DR10数据,使用改进的遗传算法对海量光谱进行自动识别,寻找白矮主序双星候选体。实验共发现了4, 140个白矮主序双星,通过交叉证认,其中24个是未被收录的新的源。验证了遗传算法在天文数据挖掘和自动搜索方面的有效性,为在海量光谱中快速发现特殊天体提供了另一途径。该方法也可用于在其他巡天望远镜的海量光谱中进行特定天体的自动识别。提供了新发现的白矮主序双星的赤经、赤纬等信息,补充了现有的白矮主序双星光谱库。     

激变变星光谱参数测量研究

激变变星是一类特殊而且数量稀少的双星系统,其主星是一颗白矮星, 伴星通常是一颗充满洛希瓣的光谱型为G,K或M型的晚型星或矮星。激变变星是一类爆发型的恒星,对于研究密近双星的演化具有积极的意义。激变变星按照爆发特征和光变特征可以分为很多亚型,如新星、再发新星、矮新星、类新星和磁激变变星。同时激变变星又是一类周期型的变星,这些因素都导致其可见光光谱非常复杂。目前对于激变变星的参数测量,主要通过后续观测来测量其轨道周期、主星和伴星之间的距离等。由于在吸积的过程中,物质在白矮星的表面累积,无法直接测量主星的物理参数,而且激变变星本身是一种暗弱的天体,实测光谱数量较少,因此极大限制了对激变变星物理参数的系统研究。目前唯一能够生成激变变星理论光谱的软件是基于光致电离模型的CLOUDY,但CLOUDY存在采样点过于稀少以及参数太多等问题,不能作为理想的理论光谱模板。法国ELODIE高分辨率的光谱可以作为M型恒星光谱参数测量的理论模板。前期工作中,通过机器学习等方法在美国斯隆巡天和中国郭守敬望远镜巡天数据中发现了一批激变变星。通过人工筛选,选择了伴星是M型的407条实测光谱,这些光谱大部分是宁静期的矮新星,光谱的主要特征是巴尔末线系和氦的发射线。再通过与高分辨率的ELODIE光谱交叉,利用SDSS-casjob数据库中的ELODIE参数,对激变变星的红端部分进行模板匹配,系统测量了其伴星的物理参数。为了降低计算量,对高维的光谱分别通过主分量分析和局部线性嵌入两种方法进行了特征提取和降维。实验结果表明LLE方法在邻域大小15,维度59时达到最高贡献率94.91%。根据PCA和LLE的交集,最终光谱的维度确定为59。实验中发现激变变星的伴星中M2型数量极少,具体原因需要更多的样本来解释。因为实验中激变变星光谱中,只有部分有明显的分子带特征,因此那些在爆发下降阶段或者光谱被吸积盘特征控制的激变变星没有进行参数测量。该实验弥补了激变变星光谱物理参数测量的空白。     

基于径向基神经网络的白矮主序双星自动分类

白矮主序双星的光谱特征是决定其类型的关键因素,如何有效提取恒星光谱的特征是亟待解决的问题。提出一种新的方法,通过构建模型捕获恒星光谱数据的特征,对SDSS-DR10海量光谱进行自动分类。径向基神经网络作为一种有效的计算模型,在数值逼近和目标分类上均有较好的表现效果,但由于目前神经网络超参数的确定大多数依赖于实验经验,很大程度上制约了算法能力的发挥。在分析白矮主序双星光谱数据的高维分布特征的基础上,提出一种基于径向基神经网络的白矮主序双星自动分类模型,并以白矮主序双星的光谱特征为导向,针对恒星光谱提出了中心准则和宽度准则以确定神经网络的超参数,大幅度提高了模型的准确度。实验对分类模型进行数值训练并使用训练的模型对SDSS-DR10光谱数据进行白矮主序双星的自动分类,共发现4 631个白矮主序双星,通过Simbad,NED和Google交叉验证后发现其中有25个是未予以收录的新候选体。实验结果验证了该模型在大规模白矮主序双星自动分类任务中的有效性,新发现的白矮主序双星也为特殊天体的进一步研究补充了有效数据。     

白矮主序双星光谱的参数自动测量研究

白矮主序双星是一类致密的双星系统, 主星是一颗白矮星,伴星是一颗小质量的M型主序星。白矮主序双星光谱的数量相对较少,但对该类天体的研究对于进一步理解密近双星的演化, 特别是公共包层演化的物理机制等重要的天体物理热点有积极的意义。SDSS-DR12是美国SLOAN巡天望远镜发布的最新数据,基于前期实验在其中发现的4, 140个白矮主序双星光谱,通过最小二乘法对这些光谱进行分解后,使用模板匹配方法,测量了这批样本中两个子星的基本参数,包括有效温度、重力加速度、金属丰度等,并对结果进行了分析和统计,进一步丰富了白矮主序双星模板库。白矮主序双星的参数测量的主要问题是计算量大,在实验中使用了GPU技术,提高了匹配效率,在海量光谱处理方向进行了有益尝试。实验结果表明该方法对大型巡天望远镜的海量光谱参数自动处理有较重要的应用价值。     

矮新星候选体的自动搜索研究

美国斯隆数字巡天望远镜已经发布了第9期数据。这些海量的天文光谱数据除了可以用来进行大样本的研究,如探寻银河系的结构和进行多波段证认外,还蕴藏着稀少和特殊的天体,其中就包括矮新星。矮新星是激变变星中所占比例最高的一个亚型,发现更多的矮新星样本对于研究密近双星的演化和参数有积极的意义。目前针对激变变星这类稀少天体的发现主要使用测光粗筛选结合后期观测证认的方法,不但准确率低,而且需要耗费较多的人工处理时间,无法满足在海量光谱数据中快速发现矮新星候选体的需要。本文提出一种适用于在海量光谱中自动、快速发现矮新星的方法。该方法针对SDSS的DR9数据,先使用支持向量机约束主分量分析进行降维,确定特征空间的维数,然后再使用训练后得到的最优分类器对海量光谱进行自动识别,寻找矮新星候选体。实验共发现了276个矮新星,其中6个是未被收录的新的源,表明了该方法的有效性,为在海量光谱中快速发现稀少和特殊天体提供了有效途径。实验中发现的新结果补充了现有的矮新星模板光谱库,可以构造更准确的特征空间。本方法也可用于在其他的巡天望远镜如郭守敬望远镜的海量光谱中进行特殊天体的自动搜索。     

基于反贝叶斯学习的WDMS光谱自动识别研究

天体光谱是天体物理学重要的研究对象,通过光谱可以获取天体的许多物理、化学参数如有效温度、金属丰度、表面重力加速度和视向速度等。白矮主序双星是一类致密的双星系统,对研究致密双星的演化特别是公共包层的演化有着重要的意义。国内外的大型巡天望远镜如美国斯隆望远镜以及中国的郭守敬望远镜,每天都产生大量光谱数据。如此海量的光谱数据无法完全用人工进行分析。因此,使用机器学习方法从海量的天体光谱中自动搜索白矮主序双星光谱,有着非常现实的意义。目前的光谱自动识别方法主要通过对已有的标签样本进行分析,通过训练得到分类器,再对未知目标进行识别。这类方法对样本的数量有明确的要求。白矮主序双星的实测光谱数量有限。若要通过有限的样本集准确学习白矮主序双星的光谱特征,不仅需要扩大样本数量,还需要提高特征提取和分类算法的精度。在前期工作中,通过机器学习等方法在海量巡天数据中识别了一批白矮主序双星的光谱,为该实验提供了数据源。使用对抗神经网络生成新的白矮主序双星光谱,扩大训练数据量至原数据集约两倍的数量,增强了分类模型的泛化能力。通过反贝叶斯学习修正损失函数,将损失函数的大小与样本的方差相关联,抑制了异常数据对模型造成的影响,提升了模型的鲁棒性,解决了由于训练样本集偏差带来的梯度消失以及训练陷入局部最优解等问题。该实验基于Tensorflow深度学习库。使用Tensorflow搭建的生成对抗网络具有较好的鲁棒性,并且封装了内部实现细节,使得算法得以更好地实现。除此之外,由Tensorflow搭建的卷积神经网络在该实验中用于分类准确度测试。实验结果表明,二维卷积神经网络能够利用卷积核有效地提取白矮主序双星的卷积特征并进行分类。基于反贝叶斯学习策略的卷积神经网络分类器在白矮主序双星原始数据及对抗神经网络生成光谱的识别任务中达到了约98.3%的准确率。该方法也可用于在巡天望远镜的海量光谱中搜索其他特殊和稀少天体如激变变星、超新星等。     

基于谱线检测的发射线星自动识别方法

针对我国即将建成的大型巡天项目(LAMOST),给出了一种基于谱线检测的发射线星自动识别方法.主要步骤:1)通过获取谱线特征匹配值进行恒星谱线整体估计;2)利用提取出的恒星谱线特征检测恒星的巴耳末(Balmer)线;3)对获取的特征匹配值采用阈值法,并结合恒星Balmer线的检测结果,进行发射线里判别.通过对SDSS DR4所有光谱进行识别,共获得了242条具有恒星发射线的特殊天体.根据星表查询结果,这些天体包括发射线星、激变变星和一些未知特殊天体等.大量真实光谱数据实验表明,本文方法可有效识别发射线星.     

海量光谱中激变变星候选体的数据挖掘

提出一套适用于海量光谱自动快速筛选激变变星的方法.利用已证认的激变变星光谱作为模板,使用主分量分析提取主特征后构造光谱特征矩阵,将海量光谱利用光谱特征矩阵映射到特征空间后,使用支持向量机排除大部分非候选体,最后对较少数量的候选体进行模板匹配并证认,结果作为反馈进一步丰富模板库.实验发现了58个新的激变变星候选体,表明了该方法的可行性,为在LAMOST海量光谱中快速搜索激变变星等稀少天体提供了有效途径.     

LAMOST-DR1中激变变星光谱的数据挖掘研究

LAMOST-DR1是郭守敬望远镜正式巡天发布的首批数据,其数量超过目前世界上所有已知恒星巡天项目的光谱总数。这为进一步扩大特殊和稀少天体如激变变星的数量提供了样本,同时也对天文数据处理方法和技术提出了更高的要求。针对LAMOST的数据特点,提出一种能够在海量天体光谱中自动、快速发现激变变星的方法。该方法使用拉普拉斯特征映射对天体光谱进行降维和重构。结果表明不同类别的天体光谱在拉普拉斯空间中能够得到较明显的区分。在使用粒子群算法对神经网络的参数进行优化后,对LAMOST-DR1的全部数据进行了自动识别。实验共发现了7个激变变星,经过证认,其中2个是矮新星,2个是类新星,1个是高度极化的武仙座AM型。这些光谱,补充了现有的激变变星光谱库。本文验证了拉普拉斯特征映射对天体光谱进行特征提取的有效性,为高维光谱进行降维提供了另一途径。在郭守敬望远镜正式发布的数据中寻找激变变星的首次尝试,实验结果表明该自动化的方法鲁棒性好,速度快,准确率高。该方法也可用于其他大型巡天望远镜的海量光谱处理。     

SDSS-DR8中激变变星候选体的数据挖掘

提出一套适用于在海量光谱中快速发现激变变星的方法。针对SDSS发布的DR8数据,尝试流型学习方法在海量光谱数据挖掘中的应用。首先使用非线性局部线性嵌入方法(LLE)对海量光谱数据进行降维,然后使用人工神经网络对低维数据进行分类,最后对较少数量的候选体进行人工证认。实验共发现了6个新的激变变星候选体,并与传统的PCA方法进行了比较,验证了LLE方法在天文数据挖掘中的可行性。     

Search for carbon stars and DZ white dwarfs in SDSS spectra survey through machine learning

Carbon stars and DZ white dwarfs are two types of rare objects in the Galaxy.In this paper,we have applied the label propagation algorithm to search for these two types of stars from Data Release Eight(DR8)of the Sloan Digital Sky Survey(SDSS),which is verified to be efcient by calculating precision and recall.From nearly two million spectra including stars,galaxies and QSOs,we have found 260 new carbon stars in which 96 stars have been identified as dwarfs and 7 identified as giants,and 11 composition spectrum systems(each of them consists of a white dwarf and a carbon star).Similarly,using the label propagation method,we have obtained 29 new DZ white dwarfs from SDSS DR8.Compared with PCA reconstructed spectra,the 29 findings are typical DZ white dwarfs.We have also investigated their proper motions by comparing them with proper motion distribution of 9,374 white dwarfs,and found that they satisfy the current observed white dwarfs by SDSS generally have large proper motions.In addition,we have estimated their efective temperatures by fitting the polynomial relationship between efective temperature and g-r color of known DZ white dwarfs,and found 12 of the 29 new DZ white dwarfs are cool,in which nine are between 6,000 K and 6,600 K,and three are below 6,000 K.     

The origin of the strongest magnetic fields in dwarfs

White dwarfs have frozen in magnetic fields ranging from below the measurable limit of about 3×10³ to 10⁹ G. White dwarfs with surface magnetic fields in excess of 1 MG are found as isolated single stars and relatively more often in magnetic cataclysmic variables. Some 1253 white dwarfs with a detached low-mass main-sequence companion have been identified in the Sloan Digital Sky Survey (SDSS) but none of these shows sufficient evidence for Zeeman splitting of hydrogen lines for a magnetic field in excess of 1 MG. If such high magnetic fields in white dwarfs result from the isolated evolution of a single star then there should be the same fraction of high field white dwarfs among this SDSS binary sample as among single stars. Thus, we deduce that the origin of such high magnetic fields must be intimately tied to the formation of cataclysmic variables (CVs). The formation of a CV must involve orbital shrinkage from giant star to main-sequence star dimensions. It is believed that this shrinkage occurs as the low-mass companion and the white dwarf spiral together inside a common envelope. CVs emerge as very close but detached binary stars that are then brought together by magnetic braking or gravitational radiation. We propose that the smaller the orbital separation at the end of the common envelope phase, the stronger the magnetic field. The magnetic cataclysmic variables (MCVs) originate from those common envelope systems that almost merge. Those common envelope systems that do merge are the progenitors of the single high field white dwarfs. Thus all highly magnetic white dwarfs, be they single stars or the components of MCVs, have a binary origin. This accounts for the relative dearth of single white dwarfs with fields of 10⁴–10⁶ G. Such intermediate-field white dwarfs are found preferentially in cataclysmic variables. The bias towards higher masses for highly magnetic white dwarfs is expected if a fraction of these form when two degenerate cores merge in a common envelope. From the space density of single highly magnetic white dwarfs we estimate that about three times as many common envelope events lead to a merged core as to a cataclysmic variable.     

Is it possible to explore Peccei-Quinn axions from frequency-dependence radiation dimming?

We explore how the Peccei-Quinn (PQ) axion parameter space can be constrained by the frequency-dependence dimming of radiation from astrophysical objects. To do so we perform accurate calculations of photon-axion conversion in the presence of a variable magnetic field. We propose several tests where the PQ axion parameter space can be explored with current and future astronomical surveys: the observed spectra of isolated neutron stars, occultations of background objects by white dwarfs and neutron stars, the light-curves of eclipsing binaries containing a white dwarf. We find that the lack of dimming of the light-curve of a detached eclipsing white dwarf binary recently observed, leads to relevant constraints on the photon-axion conversion. Current surveys designed for Earth-like planet searches are well matched to strengthen and improve the constraints on the PQ axion using astrophysical objects radiation dimming.     

自动识别发射线恒星光谱的新方法

恒星光谱一般具有明显的吸收线或者吸收带特征,而具有发射线的恒星光谱对应着特殊类型的恒星,如激变变星、Herbig Ae/Be等。对这些光谱的后续研究有着重要的意义。本文提出了一种能够自动识别发射线恒星光谱的方法。该方法首先对光谱进行连续谱归一化,然后通过比较谱线对应的流量及其邻域流量的均值和标准差,来判断是否存在发射线。对SDSS DR8大样本数据的实验表明,该方法能够完整、准确地识别发射线恒星。而且,由于该方法不涉及复杂的变换和运算,因而识别速度非常快,可用于诸如LAMOST和SDSS这样大型光谱巡天项目中发现发射线恒星光谱。     

不同光谱型的低分辨率恒星光谱在不同信噪比条件下视向速度测量精度的分析

恒星的视向速度对于研究银河系的演化结构和动力学有很重要的意义,同时也是寻找变源和特殊天体的一种手段。不同的研究对其测量精度有不一样的要求。使用模板匹配的方法计算不同类型的低分辨率可见光波段恒星光谱的视向速度精度,从而为不同方面的科学研究提供有效可靠的参考。分别选取不同光谱型高信噪比的美国斯隆巡天恒星光谱,并加以噪声来模拟不同信噪比条件下的恒星光谱。通过分别计算这些恒星样本的视向速度,定量分析了各种类型的恒星在不同信噪比条件下能达到的视向速度测量精度。同时,还就白矮星的视向速度测量精度进行了分析。结果显示,对于相同信噪比的早型恒星的视向速度测量精度远没有晚型恒星的测量精度高,尤其是A型星的视向速度测量标准误差是K型星和M型星的5~8倍。分析其原因,主要是由于不同类型恒星的具有不同宽度的谱线所导致的。因此对于具有更宽谱线的白矮星光谱的视向速度测量误差更大,可达50 km·s-1。以上结论将为恒星科学研究提供很好的参考。