LAMOST简报-2023年第7期.pdf

LAMOST LAMOST 运行和发展中心 第7期 2023 年 7 月 31 日 天文学家基于 LAMOST 构建了批量获取星系高精度距离的新方法 近期，国际学术期刊《自然·天文》在线发表了中国科学院国家天文台陈孝钿副研究员领衔 完成的一项重要成果。研究团队基于 LAMOST 和 SDSS 数据，发现双周期的天琴座 RR 型变星 是最好的标准烛光，利用它的两个周期来测量星系距离不再需要元素丰度的信息，这为批量测 量星系的高精度距离构建了新方法，基于该方法测量的星系距离误差可以优化到 1%-2%。这一 原创性成果将对星系和宇宙的距离标尺产生重要影响。 一百年前，美国天文学家爱德文·哈勃测量了第一个河外星系仙女座大星云的距离，从而确 定了河外星系的存在，开创了星系天文学的研究。随着技术的发展，天文学家已经能测量数百亿 光年之外的遥远星系的距离，我们也知道了银河系只是浩瀚宇宙中的一粒星尘。当前，天文学家 关注的是如何更准确地获得一颗恒星、一个星系、甚至整个宇宙的距离。 当我们仰望星空，星星是如此遥远，测量它们的距离通常需要使用量天尺，即标准烛光。标 准烛光就像一盏已知功率的灯，它的内在亮度是一致的，当我们离它越远，就会感觉它越暗。我 们观测到的标准烛光的亮度随距离的平方逐渐降低（图 1）。恒星中有两种常用的标准烛光：年 轻的造父变星和年老的天琴座 RR 型变星。它们的内在亮度分别是太阳的上万倍和一百倍。 图 1 标准烛光艺术图 图2 本星系群的三维艺术图 如何获取这两类恒星的内在亮度呢？它们的亮度是随时间周期性变化的，并且周期与内在 亮度之间存在着线性的周光关系。利用周光关系，天文学家就可以得到这两类恒星的内在亮度， 然后通过内在亮度与观测亮度的比较计算出距离。使用这种方法天文学家可以得到一个误差为 5%-10%的天体距离，但如果想得到更准的距离，则需要判断标准烛光是否足够标准。天文学家 发现恒星的内在亮度会受元素丰度的影响，即拥有不同重元素的恒星具有不同的内在亮度。 LAMOST 运行和发展中心 LAMOST 之前，要想获取更精确的天体距离，就需要测量这些标准烛光的元素丰度。元素丰度的测量 成本较高，需要依靠光谱测量等，因此已知的距离误差小于 2%的河外天体还不到 5 个。 陈孝钿 研究团队利用 LAMOST 和 SDSS 数据，首次发现了双周期天琴座 RR 型变星的两个周期与金属 丰度之间的线性关系，进而建立了双周期天琴座 RR 型变星的周光关系，即首次建立了不受金属 丰度影响的“量天尺”。基于该周光关系，星系距离的测量误差可以优化到 1%-2%。 不久的将来，利用该研究成果的方法，拥有高精度距离的星系样本将扩大至少 20 倍。届时， 天文学家有望获取一张精细的本星系群的三维直观图像（图 2），并将进一步限制和更新哈勃常 数。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41550-023-02011-y 研究人员基于 LAMOST 数据搜寻和研究 S 型恒星 近期，国家天文台陈静博士、李荫碧副研究员、罗阿理研究员及合作者基于 LAMOST DR10 中分辨率光谱数据成功发现 2939 颗 S 型恒星，将已知 S 型恒星数量翻倍，并构建了目前最大的 S 型恒星星表。基于机器学习方法，团队重点研究和解决了是否能够使用中分辨率且没有锝（Tc） 线特征的光谱，对 S 型恒星进行分类以及如何分类的问题。他们基于 LAMOST 光谱数据首次成 功完成了批量 S 型恒星的分类，大幅增加了具有内秉和外赋分类标签的 S 型恒星数量。这项研 究成果为进一步研究 S 型恒星物理性质和恒星的化学演化奠定基础。目前，该成果已发表在国 际知名期刊《天体物理学报增刊》（2023,ApJS,267,5）。 中低质量的恒星演化到晚期，会进入渐近巨星支（AGB）阶段。AGB 阶段又分为早期 AGB 阶段和热脉冲 AGB 阶段，其中热脉冲 AGB 星阶段会将恒星内部产生的化学元素“挖掘”到恒星 表面，当“挖掘”的化学元素含量满足一定条件时便产生了 S 型恒星。此类恒星光谱上最重要的特 征是：具有明显的 ZrO 分子带（见图 3）。研究团队在 LAMOST DR10 的海量光谱中发现了 2939 颗 S 型恒星，这是目前发现 S 型星数量最多的工作。 S 型恒星又分为内禀和外赋两种：内禀 S 型星位于热脉冲 AGB 阶段，它们大气中慢中子俘 获过程元素含量的增加（增丰）是通过内部挖掘过程实现；外赋 S 型恒星处于双星系统中，有一 颗白矮星（前身是 AGB 星）伴星，慢中子俘获过程元素增丰是通过跟伴星“物质交换”产生的。 目前，区分内禀和外赋 S 型恒星最直接和准确的方法是探测光谱中是否存在 Tc 线，然而这需要 高分辨率和高信噪比光谱，这增加了 S 型恒星分类工作的难度。前人发现的 1347 颗 S 型星中， 具有内禀和外赋分类结果的数量很少，极大地限制了 S 型恒星的进一步研究。 对于 LAMOST 数据中发现的 2939 颗 S 型恒星，研究团队首次探索了如何快速有效实现分 类的方法，最终确定了基于机器学习算法的两种分类方法，均取得较好的分类准确率。 LAMOST 运行和发展中心 LAMOST 图 3 从上到下依次为 M 型星、S 型星和碳星光谱，粉色展示了 S 型星光谱中四个 ZrO 分子带。 第一种方法使用了红外测光数据。研究团队收集了 2MASS、ALLWISE、AKARI 和 IRAS 四 个巡天的测光数据，用它们各种可能的组合来训练机器学习模型，他们发现：同时使用 2MASS 、 AKARI 和 IRAS 数据（即“2MASS + AKARI + IRAS”组合）训练的机器学习模型的准确率最高， 达到 95.52%。研究团队将该模型应用于 876 颗具有这三个巡天测光数据的 S 型恒星，成功将它 们分类为 381 颗内禀和 495 颗外赋类型的 S 型恒星。此外，借鉴机器学习算法，研究团队提出了 6 个区分内禀和外赋 S 型恒星的颜色标准，分类准确率达到 90%，较前人方法提高约 5% - 7%。 第二种方法使用了 LAMOST 中分辨率光谱。研究团队经过反复实验发现：同时使用 LAMOST 中分辨率蓝端和红端光谱（全谱）作为输入训练的模型分类准确率最高，达到 94.8%。 通过分析算法给出的重要性排在前 30 的输入特征，研究团队从中整理出 4 个对区分内禀和外赋 S 型恒星非常重要的光谱区域，即 Zr I、Ne II、Hα 和 Fe I & C I，并发现：外赋 S 型星在这四个 区域的等值宽度系统性高于内禀 S 型星。研究团队认为：外赋 S 型恒星经历的热脉冲次数多于 内禀 S 型恒星，这是它们在 Zr I 线区域等值宽度系统性更高的原因。研究团队再次仅使用这四 个光谱特征重新训练模型，使内禀和外赋的分类准确率达到 92.1%，尽管略低于使用全谱训练的 模型的准确率，但充分说明：这四个区域对区分内禀和外赋 S 型恒星的重要性。研究团队将训练 好的机器学习模型应用于此次发现的 2939 颗 S 型星，成功对它们进行分类，首次完成对大量 S 型恒星进行分类的工作，大幅增加了具有内禀和外赋分类标签的 S 型恒星的数量，为 S 型恒星 的后续物理性质的研究奠定了基础。 不同于以往少量具有高分辨率高信噪比观测的 S 型星的分类，对于数量更多且只有中分辨 率光谱观测的 S 型恒星分类问题，研究团队找到了快速有效的解决方案，对相关领域的研究起到 了推动作用。论文链接：https://arxiv.org/abs/2305.09294 LAMOST LAMOST 运行和发展中心 技术维护与发展部工作情况 观测运行部工作情况  形成 LAMOST 观测室和小圆顶的改造方 日常维护： MB 子镜测试片反射率测量；6 案并配合施工； 块金基紫外增强型反射试验镜片清洁维护及反 CCD集群硬件设备工作环境的配置和测 射率测量。MA、MB、焦面和中心楼日常清洁维 试，以及软件的安装和调试； 护；现场供电设施、发电机组、MA 圆顶及焦面  LAMOST导星相机的维护和软件升级； 电梯等检查维护和日常安全巡检。  大屏幕软硬件更新和升级，原始数据服   务器的数据备份整理； 动器的拆卸与重新安装；1 块备份 MB 子镜的镀 小圆顶气象站环境参数标定等工作。 膜；完成 11 块 MA 镜面分离、12 块 MA 子镜脱 膜和重新镀膜（目前共完成 20 块） ；MA 子镜铟 科学巡天部工作情况   夏季维护：完成 23 号 MB 子镜室和位移促 钢垫检查，5 块脱胶子镜铟钢胶接；安装 MA 代 开展LAMOST第三期巡天输入星表相关 子镜，进行力促动器维护、更换（共计更换 316 的准备工作； 套）和线性测试。 更换 3 台光谱仪的新光纤，完成 3 号光谱仪 更新和完善科学巡天相关的硬件设备及 狭缝调试；完成 6 台光谱仪共计 1500 个新更换 运行环境。 光纤定位单元的安装，并对其余 10 台光谱仪的 数据处理部工作情况  跟踪 LAMOST 用户使用数据情况和数据 光纤定位单元进行检查维护和更换。 焦面 6、7 层水冷循环水路清洁维护和打压 发布网站的使用情况；解决和回馈用户提 测试；完成光谱仪杜瓦抽真空测试，恢复 7 号离 出的数据方面的问题；  准备 DR11 v0 版本的第三批光谱数据的 子泵运行；参考光纤更换，焦面旋转拍照测试； 国内发布和 DR9 v2 版本数据集的国际发 安装激光跟踪仪，并复核参考光纤位置测量结果 布事宜； 等相关工作。  完成类星体光谱识别与测量模块（QM v2.0 版本）的升级与测试。 LAMOST 运行和发展中心 Center for Operation and Development of LAMOST Telescope 编辑：李 双 审核：赵永恒 签发：刘继峰