基于SDSS的河內(nèi)恒星DIBs自動識別方法*

章 博，潘楚楚，葉 宸，唐軼峻

（浙江工業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系，浙江杭州 310023）

基于SDSS的河內(nèi)恒星DIBs自動識別方法*

章 博，潘楚楚，葉 宸，唐軼峻

（浙江工業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系，浙江杭州 310023）

星際彌散帶（Diffuse Interstellar Bands，DIBs）自發(fā)現(xiàn)以來已經(jīng)經(jīng)歷了近百年的研究，但是至今仍然是天體光譜學(xué)上的一個未解之謎。針對SDSSDR7的光譜數(shù)據(jù)提出了一種星際彌散帶特征自動識別方法。該方法基于譜線特征匹配，通過光譜流量限制的方法進(jìn)行星際彌散帶特征的自動識別。利用它可對相對定標(biāo)的巡天光譜進(jìn)行廣泛的星際彌散帶候選天體搜索，在海量光譜數(shù)據(jù)中獲取更多具有星際彌散帶特征的河內(nèi)恒星。通過對SDSSDR7中位置相對合適的超過300個盤的天體光譜的遍歷，已經(jīng)得到了一系列具有星際彌散帶特征的候選河內(nèi)恒星，并且證明了該方法簡單有效且具有魯棒性。這為載體證認(rèn)等工作提供了大量輔助數(shù)據(jù)，極大地推進(jìn)了星際彌散帶的研究。

星際彌散帶（DIBs）；恒星光譜識別；譜線特征匹配；流量限制；SDSS

星際彌散帶（Diffuse Interstellar Bands，DIBs）起源于星際介質(zhì)的寬吸收帶，其發(fā)現(xiàn)最早追溯到1922年［1］。目前人們已經(jīng)探測到數(shù)百條星際彌散帶，但是還沒有一條DIB的載體（carrier）被完全證認(rèn)［2］。經(jīng)過近百年的研究，星際彌散帶的起源至今仍然是一個亟待解決的天體光譜學(xué)之謎。早期研究由于受到觀測技術(shù)等條件限制，多數(shù)都集中于對亮星（星等＜9）和河內(nèi)恒星的星際彌散帶確認(rèn)。近些年隨著觀測技術(shù)的發(fā)展和設(shè)備的完善，星際彌散帶的探測目標(biāo)已經(jīng)從河內(nèi)恒星延伸到河外暗弱天體，研究重心逐漸傾向于河外天體星際彌散帶譜線的發(fā)現(xiàn)和高碳有機(jī)分子等可能載體的證認(rèn)［2］。而SDSS等世界上先進(jìn)的巡天計(jì)劃已經(jīng)累積了海量的光譜數(shù)據(jù)，SDSS（DR7）為1 640 960個天體提供了光譜，其中包括464 261個恒星光譜［3］。這為廣泛地開展星際彌散帶識別和數(shù)據(jù)挖掘工作提供了重要的線索和條件，如果能有一種針對海量光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行星際彌散帶自動識別的方法，勢必能把星際彌散帶的光譜目標(biāo)擴(kuò)展到更廣的范圍，為載體確認(rèn)等工作提供輔助數(shù)據(jù)，推進(jìn)星際彌散帶的各方面的研究。

在星際彌散帶研究方面，文［2］在星際彌散帶與217.5 nm消光駝峰的關(guān)系方面取得了卓有成效的結(jié)果。在光譜分析方面，文［4］分析了42個類星體的SPITZER IRS中紅外光譜并測量了連續(xù)譜和各發(fā)射線強(qiáng)度；文［5］則基于數(shù)據(jù)倉庫進(jìn)行了星系光譜分類，得到了極好的測試結(jié)果。而在數(shù)據(jù)自動處理上，文［6］針對中小規(guī)模數(shù)量的FITS文件設(shè)計(jì)了管理器，實(shí)現(xiàn)對FITS文件的快速查找、預(yù)覽以及相關(guān)處理，說明了光譜文件批處理的可行性；同時，文［7］在LAMOST天體光譜自動處理方面取得一系列研究成果，對基于多層小波變換譜的發(fā)射線星的自動識別方法以及基于光譜特征匹配的恒星識別方法做了深入的研究。這些工作對于本文工作的開展提供了有益的理論指導(dǎo)。然而，由于許多星際彌散帶具有不對稱的復(fù)雜輪廓［8］，因此需要一種簡單直接的方法進(jìn)行星際彌散帶識別。本文提出一種有效的、基于光譜匹配的河內(nèi)恒星星際彌散帶特征自動識別方法。該方法利用對固定波長位置的歸一化流量限制，能夠從天體光譜中將具有星際彌散帶特征的河內(nèi)恒星譜線篩選出來。其優(yōu)點(diǎn)在于：（1）簡單有效，并對符合條件的目標(biāo)結(jié)果返回星際彌散帶中心波長值，后續(xù)能將結(jié)果按照類型分類和可視化，可行性強(qiáng)。（2）對于異常的數(shù)據(jù)，程序具有較好的自適應(yīng)能力，具有魯棒性。

1 星際彌散帶自動識別原理

星際彌散帶的確認(rèn)主要基于星際彌散帶所具有的兩個基本屬性［9］：（1）多次獨(dú)立觀測中，譜線中的吸收帶具有恒定的日心視向速度；（2）吸收帶的表觀強(qiáng)度和輪廓必須具有較好的重復(fù)性，即多次觀測都能找到表觀強(qiáng)度和輪廓特征一致的吸收帶。

據(jù)此，尋找具有星際彌散帶特征的天體可以有兩種方法：

（1）對多次獨(dú)立觀測的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測。光譜數(shù)據(jù)中均檢測到吸收帶且其日心不變視向速度恒定的天體可以確認(rèn)為含有星際彌散帶特征的天體。

（2）基于固定位置的吸收帶檢測。使用已經(jīng)確認(rèn)的星際彌散帶中強(qiáng)吸收帶的中心波長作為固定位置，對其近鄰像素點(diǎn)進(jìn)行流量檢測，若檢測到存在吸收帶，則篩選出來作為星際彌散帶候選天體，待進(jìn)一步確認(rèn)。

圖1所示的是幾個具有769.9 nm DIB的恒星譜線。考慮到星際彌散帶的譜線可能具有復(fù)雜的輪廓，因此需要一種簡單可行的檢測方法。由于SDSS中的光譜數(shù)據(jù)中只有部分恒星的光譜具有重復(fù)觀測數(shù)據(jù)，故本方法主要基于第二種途徑，后期再對于結(jié)果進(jìn)行重復(fù)觀測數(shù)據(jù)的搜索和對比。自動識別軟件對于檢測的fit文件將給出赤經(jīng)、赤緯、星等、紅移等信息以及包含的可能為星際彌散帶吸收帶的位置中心波長。SDSS提供的光譜數(shù)據(jù)像素點(diǎn)的波長間隔大約為0.102 nm～0.167 nm之間，因此吸收帶檢測的半峰全寬極限被限制在相近的數(shù)值，即：半峰全寬接近或者小于0.1 nm的星際彌散帶將不可能被檢測出來［9］。所以實(shí)驗(yàn)中選取了半峰全寬較大、強(qiáng)度較強(qiáng)［11］的幾個星際彌散帶作為檢測目標(biāo)，具體中心波長為以下幾個： 442.8 nm、570.5 nm、578.0 nm、579.7 nm、619.6 nm、620.3 nm、626.9 nm、628.3 nm、637.9 nm、661.3 nm、666.0 nm、699.3 nm、772.4 nm。

圖1 具有769.9 nm DIB的恒星譜線［10］Fig.1 Spectra of several stars with the 769.9nm DIB feature

2 星際彌散帶自動識別算法、流程

針對SDSS光譜數(shù)據(jù)中的強(qiáng)線選擇、光譜數(shù)據(jù)信噪比、波長分辨率、FWHM控制等方面設(shè)計(jì)識別過程的關(guān)鍵算法，其主要目的是判斷天體光譜是否具有星際彌散帶特征，并據(jù)此對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行識別分類：具有星際彌散帶特征（返回中心波長值），不具有星際彌散帶特征（返回空）。

光譜的星際彌散帶特征自動檢測流程如圖2，具體由以下步驟組成：

（1）讀取fit文件所包含的光譜數(shù)據(jù)（包括赤經(jīng)、赤緯、星等、紅移值、天體類型及歸一化的光譜數(shù)據(jù)等）；

（2）根據(jù)天體類型，篩選出恒星類型的天體光譜；

（3）判斷是否滿足紅移Z＜0.001，篩選出河內(nèi)恒星，作為星際彌散帶檢測對象；

（4）對需要檢測的幾個星際彌散帶波長進(jìn)行固定位置吸收帶檢測。在該中心波長鄰近的像素點(diǎn)取得歸一化流量值，檢測要求該處最近鄰像素點(diǎn)的歸一化流量值低于0.8，次近鄰像素點(diǎn)的歸一化流量值低于0.9；

（5）按照檢測的固定位置中心波長從小到大，對每個fit光譜遍歷所有需要檢測的星際彌散帶中心波長，返回檢測到的存在吸收帶的中心波長值；

（6）每一次檢測對一個盤中所有的fit文件遍歷，并保存結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)中選取的流量限制條件的數(shù)值0.9是一個經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，根據(jù)文［9］中確認(rèn)的星際彌散帶的信息可以知道，符合最近鄰小于0.8和次近鄰小于0.9的星際彌散帶必為相當(dāng)強(qiáng)的星際彌散帶，其檢測結(jié)果的可靠程度是很高的，這在一定程度上避免了低分辨率對星際彌散帶識別造成的影響。

圖2 星際彌散帶自動檢測流程圖Fig.2 Flowchart of our algorithm of selecting DIBs

3 實(shí)驗(yàn)及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)的理論預(yù)期

1.光譜類型分布。調(diào)查了國外幾項(xiàng)較大的星際彌散帶研究［12-15］，總共涉及了510個光譜目標(biāo)，并對其中在SIMBAD數(shù)據(jù)庫中天體類型為Star并且光譜類型明確的恒星進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，得到了288顆星際彌散帶特征恒星的光譜類型分布圖（如圖3）?？梢钥闯觯@些星際彌散帶研究主要集中于O、B、A型恒星，即早型星。

2.候選天體光譜的可信度。考慮到星際彌散帶的確認(rèn)必須遵循兩個原則，并且由于星際彌散帶較多地被發(fā)現(xiàn)存在于強(qiáng)紅化星和早型星的光譜中［1］，因此在實(shí)驗(yàn)中，必須優(yōu)先關(guān)注以下幾類可信度較高的結(jié)果：

（1）有多次觀測數(shù)據(jù)，且各次觀測的光譜中均檢測到吸收帶；

（2）單次觀測數(shù)據(jù)，但是檢測到了吸收帶，且譜線較好；

（3）單次觀測數(shù)據(jù)，但是檢測到了吸收帶，且屬于早型星。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

實(shí)驗(yàn)中對SDSSDR7中的天區(qū)位置相對合適的300多個盤進(jìn)行遍歷，共檢測了超過20萬個天體光譜，得到了一系列具有星際彌散帶特征的候選河內(nèi)恒星，并對這些結(jié)果進(jìn)行了自動分類。檢測到的具有星際彌散帶特征的恒星目標(biāo)共有117個，在附錄中給出了盤和在對應(yīng)盤中檢測到的星際彌散帶特征候選恒星的星際彌散帶波長，表格中數(shù)字“1”代表在對應(yīng)盤中檢測到了該波長DIB，空格則表示沒有檢測到該波長DIB。其中，有6個波長的星際彌散帶在檢測過程中未檢測到候選恒星，則未列出；若干個未檢測到有任何候選恒星的盤也已經(jīng)略去不列。

圖4所示的是檢測結(jié)果中較為可靠的譜線以及值得關(guān)注的譜線，并在表1中給出了天體的部分信息。其中，54463-2856-025只具有單次觀測數(shù)據(jù)，但是譜線在620.3 nm位置處顯示出較好的輪廓，值得進(jìn)一步驗(yàn)證。而另外兩條譜線為同一目標(biāo)的光譜，其619.6 nm處的吸收帶在強(qiáng)度和輪廓上顯示出較好的重復(fù)性，極有可能是具有620.3 nm DIB的河內(nèi)恒星。

這117個星際彌散帶候選恒星光譜類型包括A0、F2、F5、F9、G2、K1、K3、K5、K7、M0、M0V、M1、M2、M3、M4等，與理論預(yù)期中統(tǒng)計(jì)的具有星際彌散帶特征的288個恒星光譜類型分布相比明顯偏晚。其原因主要有以下兩個：

表1 圖4中光譜對應(yīng)的恒星信息Table 1 Inform ation of Stars Plotted in Fig.4

圖3 288顆具有星際彌散帶特征的恒星的光譜類型統(tǒng)計(jì)Fig.3 Statistics of spectral types of 288 stars with DIBs

（1）根據(jù)Slyk［10］等人的分析，要對弱星際彌散帶輪廓的子結(jié)構(gòu)（substructure）和微細(xì)結(jié)構(gòu)（fine structure）進(jìn)行可靠的研究，所使用的光譜分辨率要達(dá)到R=100 000。而SDSSDR7中的光譜分辨率R大約在1 800～2 200，與星際彌散帶輪廓微細(xì)結(jié)構(gòu)研究的要求相差很大，使得用于判斷吸收特征的像素點(diǎn)流量數(shù)據(jù)的個數(shù)減少，得到的輪廓與高分辨率情況下的輪廓必然會有一定的差別，這導(dǎo)致了檢測結(jié)果可靠性有一定的降低。針對這個問題，選取13個強(qiáng)星際彌散帶中心波長作為檢測目標(biāo)，根據(jù)文［9］提到的波長分辨率與DIB識別能力的關(guān)系，仍然可以保證在這13個可能出現(xiàn)較強(qiáng)星際彌散帶（FWHM＞＞0.1 nm）的波長位置的特征被有效識別出來。另外，本文所做的工作本身與星際彌散帶輪廓的微細(xì)結(jié)構(gòu)研究亦有所不同，對分辨率的要求也會有所降低，并且通過控制光譜信噪比和利用重復(fù)觀測數(shù)據(jù)提高了檢測結(jié)果的可靠性。

圖5 ［12-14］中的星際彌散帶特征恒星的位置分布Fig.5 The surface distribution of stars with DIB features in Ref［12-14］

（2）根據(jù)對文［12-15］中涉及的288個光譜目標(biāo)在天區(qū)中位置的統(tǒng)計(jì)（如圖5），容易知道研究較多的星際彌散帶是處于低銀緯區(qū)域。但是SDSSDR7的主要觀測天區(qū)分布在高銀緯區(qū)域。銀緯的高低與星際彌散帶載體在星際空間的分布情況有直接的聯(lián)系，這是導(dǎo)致光譜類型分布與理論預(yù)期有差別的主要原因之一。

4 小結(jié)

本文的創(chuàng)新之處在于將光譜特征匹配應(yīng)用在對星際彌散帶特征河內(nèi)恒星的光譜數(shù)據(jù)挖掘，為星際彌散帶的載體證認(rèn)等研究提供了大量輔助數(shù)據(jù)。通過實(shí)驗(yàn)，證明了本文提出的自動識別河內(nèi)恒星星際彌散帶特征的可行性。對于接下來的工作方向，一方面可以改進(jìn)算法，利用精度更高的處理方法去處理已有的光譜，以得到更高的識別準(zhǔn)確率。另外還可以利用高精度的標(biāo)準(zhǔn)恒星譜線進(jìn)行星際彌散帶的確認(rèn)，或者利用觀測設(shè)備對只有單次觀測數(shù)據(jù)的候選恒星進(jìn)行觀測驗(yàn)證等。另一方面，可以增加星際彌散帶的遍歷樣本，如進(jìn)行剩余SDSS光譜數(shù)據(jù)遍歷，尋找更多候選天體；選擇其他巡天計(jì)劃的光譜數(shù)據(jù)和等待新數(shù)據(jù)的釋放，如SDSSDR8等，提高被檢測光譜的分辨率和信噪比，增加自動識別星際彌散帶候選恒星的可靠性。

致謝：感謝國家天文臺胡景耀研究員的有益指導(dǎo)和支持。

附錄 檢測結(jié)果列表Appendix A list of results

續(xù)表

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An Automated M ethod of Selecting Galactic Stars w ith DIB Features from the SDSS

Zhang Bo，Pan Chuchu，Ye Chen，Tang Yijun
（Department of Applied Physics，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310023，China，Email：chamberlain31@163.com）

The problem of Diffuse Interstellar Bands（DIBs）has been studied for almost a century since the discovery，but it still remains a mystery.A method is proposed in this paper for automatically selecting Galactic starswith DIB features from the SDSSDR7 data.Thismethod is based on spectral-featurematching，and selecting of DIB features by requiring sufficiently low relative neighboring-pixel fluxes for the centralwavelength pixels of DIB lines（—line-profile prominence）.We are able to select candidates of Galactic stars with DIB featureswith thismethod from calibrated spectra，as shown by experiments on over 300 SDSS plates.The paper thus shows the simplicity，effectiveness，and robustness of themethod.Themethod will provide a huge amount of data for research areas such as identifications of stars of these features，and will push forward research of DIBs.

Diffuse Interstellar Bands（DIBs）；Spectra recognizing of stars；Feature matching of spectral lines；Relative flux confining；SDSS

P141.5

：A

：1672-7673（2013）03-0301-07

浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動計(jì)劃（新苗人才計(jì)劃）資助.

2012-06-20；修定日期：2012-07-04

章 博，男，本科.研究方向：天文技術(shù)與方法.Email：chamberlain31@163.com

CN 53-1189/P ISSN 1672-7673