基于集成树的M型星光谱分类

在赫罗图中,M巨星位于红巨星的顶端,是由类太阳的主序星逐渐演化而成的最明亮的一类恒星。M巨星的研究对于理解银河系,特别是银河系晕的性质至关重要。中低分辨率的M巨星光谱,常因为特征不显著、噪声影响等因素而与M矮星的光谱混在一起,不易区分。现有研究一般利用CaH₂+CaH₃ vs. TiO₅分子谱指数初步筛选M巨星光谱候选体,再通过人眼检查确认。但这种方法仅利用了三个巨星相关的分子带指数,没有利用识别M巨星的其他光谱特征,可能会由于噪声对指数的污染而导致分类错误。而且,人眼检查数量众多的光谱不仅耗时而且检查质量依赖于人的经验,可靠性无法得到保证。LAMOST望远镜自2011年开始先导巡天到2017年6月,已经发布了900多万天体的光谱,最新释放的光谱数据DR5包含了52万的M型星光谱数据,需要采用自动、准确、有效的方法来区分其中不同光度级的M子样本。本研究利用集成树模型分类M巨星和M矮星光谱,分别采用随机森林、GBDT、XGBoost和LightGBM算法,构建区分M巨星和M矮星的光度分类器。四种分类器的测试准确率分别达到97.23%,98%,98.05%和98.32%。实验表明LightGBM模型比其他三种集成树模型准确率更高,训练时间更少,分类效率更高。对分类器模型获取到的重要特征分析的结果表明,集成树算法有效提取并表达了用于区分M巨星和M矮星的结构性特征,模型提取到的重要特征不仅包括原子线或分子带吸收的波长位置,还包含了它们相邻的伪连续谱,这与传统上计算指数所需要特征波长和伪连续谱是一致的。相比于传统M巨星和M矮星分类方法,集成树模型能够采用光谱中的多个重要特征组合进行分类,避免仅依赖某一种特征易受噪声影响而得出错误的分类结果。研究结果表明集成树算法在巨星识别过程中具有显著优势,完全可以替代传统上只利用CaH和TiO指数的巨星光谱判别方法。基于集成树模型对M型星光谱的分类研究,为LAMOST高效、准确地处理海量天体光谱提供了有效的方法。随着LAMOST巡天项目不断开展,积累的M巨星和M矮星样本将为研究银河系的结构和演化提供重要的数据基础。     

基于残差分布度量的M矮星细分类研究

恒星光谱分类是天文数据处理中一项非常重要的工作,主要对海量光谱巡天数据按照其物理性质进行分类。利用残差分布度量的方法对LAMOST巡天中观测到的 M矮星光谱进行细分类研究。残差分布度量是一种光谱间的距离度量方法,计算光谱之间的距离时,先将两条光谱进行归一化处理,之后计算对应波长采样点处的残差,最终以残差分布的标准差作为光谱之间的距离。使用LAMOST DR2中释放的M矮星光谱进行细分类实验。实验结果表明,残差分布度量方法能比较准确地对M矮星光谱数据进行细分类。还研究了信噪比、离群点以及残差标准化系数等因素对分类结果的影响。     

一种抗噪声的M型星视向速度测量方法

M矮星是银河系中最普遍的恒星,它们的运动状况能提供银河系演化的线索,视向速度(RV)是反映M矮星运动状况的重要参数之一。我国的大科学工程LAMOST巡天项目已经获得了数十万M型星光谱,测量这些恒星的视向速度需要自动、高效的程序。计算M矮星视向速度的一般方法是将观测光谱与模板光谱进行交叉相关得出。然而在实际处理过程中,由于本质上的不同或者噪声的影响,一些观测光谱和模板光谱错误匹配,从而使得这些光谱的视向速度测量产生偏差。为了减少噪声等因素的影响,对于信噪比较高、但局部有较强噪声的光谱,采用统计与经验特征相结合的方法选取光谱中的有效特征段、避开噪声污染的波段计算M型星的视向速度。利用该方法对LAMOST DR3 M型星星表中的部分实测光谱测量了视向速度,将之与APOGEE星表中的对应视向速度进行了对比。结果表明该方法有效地减少了局部噪声对视向速度的影响,提高了视向速度测量的准确率。     

基于Transformer特征提取的A型恒星光谱子型分类算法

恒星光谱分类是恒星光谱分析的重要工作之一。我国大型巡天项目LAMOST能够获得海量的恒星光谱数据,为了对海量恒星光谱数据进行高效分类,特别是对恒星光谱子型数据进行分类,需要研究快速有效的恒星光谱自动分类算法。提出一种基于Transformer特征提取的混合深度学习算法Bert+svm(简记为Besvm)实现A型恒星光谱子型的自动分类。该算法将A型恒星光谱26个线指数作为输入特征,应用Bert模型对26个线指数进行更深层次的学习,通过学习26个线指数的内在关联,进而提取到更有利于A型恒星光谱子型分类的特征。提取好的新特征被输入到分类器算法支持向量机(简记为SVM)中,进而对A型恒星光谱的三个子型A1、 A2和A3进行自动分类。此前,SVM算法在恒星光谱分类任务中已经有过应用,一些衍生的SVM算法在恒星光谱分类任务中也有较高的分类正确率。相比从前应用到恒星光谱分类任务的SVM算法,我们的混合深度学习算法受数据的信噪比影响较小,使用低信噪比数据也能有较高的分类正确率,并且所用数据量较少。通过五组实验验证了该算法的有效性和优越性：实验1用来对比选择优秀的核函数,通过光谱数据的匹配实验,最终选择...     

基于XGBOOST的恒星光谱分类特征数值化

恒星光谱分类是研究恒星的基础性工作之一,常用的光谱分类是基于20世纪70年代Morgan和Keenan建立起来的并逐步完善的MK分类系统。然而基于MK规则的交互式决策分类系统对处理海量天文光谱数据存在着一定的困难。目前光谱巡天一般采用的自动化分类则是模版匹配方法而忽略对谱线特征的测量。怎样自动、客观地提取海量光谱中的分类特征并应用这些特征进行分类可以对天体的物理化学性质的统计分析至关重要。针对此问题,通过机器学习和计算光谱的谱线指数结合的方法,提取光谱特征,并通过大数据分析定量地确定对光谱特征谱线的分类判据（数值化）,确定每一类光谱具有物理意义的特征谱线的强度分布。首先对LAMOST DR4恒星光谱测量其谱线指数作为输入,光谱的分类标记采用官方发布的分类结果。使用XGBoost算法进行自动分类及特征排序,从而获得已知或未知的对于分类决策最为敏感的谱线。首先,选取高信噪比（S/N>30）、被LAMOST标记为B,A,F和M的恒星光谱数据,总计约414万个。然后,对光谱数据计算谱线指数从而使其得到降维处理,过滤冗余信息。其次,将处理后的恒星光谱数据随机划分为训练集和测试集,通过适当调整算法参数,用训练集得到所需要的分类决策树模型,用测试集测试其稳定性和可用性,以防止出现过拟合,同时使用算法自带函数进行提取分类特征。最后,输出并整理实验中算法所得的决策树模型,并挑选其概率比较大的分支作为最终的决策树模型。通过实验,可以发现在固定参数下,XGBoost所得的模型有一定的自适应性,较少受数据集影响,总体准确率可达88.5%;同时其所输出的分类决策树与已知的特征较为吻合,而且可以获得基于大数据的、数值化的特征谱线对应分类的范围,为完善基于特征的分类提供定量的规则。     

一种晚型天体光谱离群数据挖掘系统

探索海量的M型恒星中具有磁活动、巨星等较特殊、稀有的天体,对于后续观测、银河系结构、演化等科学研究具有重要的意义,针对M型恒星光谱特征线出现在子空间中的局部偏离,设计并实现了晚型恒星离群数据挖掘系统。首先采用稀疏因子和稀疏度系数度量样本在属性空间上的分布特征,并在此基础上对M型恒星光谱特征线进行离散化、降维等预处理,获得光谱子空间;然后采用微粒群算法搜索离群子空间,并证认子空间内光谱是否离群;此外,选择SDSS M型光谱特征线指数集为样本,实验分析了稀疏因子和稀疏度系数的设置对离群结果的影响,并将离群挖掘结果与SDSS提供光谱型等参数对照,表明利用该系统实现晚型恒星光谱特征线局部离群数据挖掘是可行并有价值的。     

结合径向基函数和KPCA的食用油太赫兹光谱特征提取方法

针对太赫兹光谱线性不可分的情况,提出结合径向基函数和核主成分分析(KPCA)的方法进行食用油太赫兹光谱特征提取。该方法所提取到的特征类内距离小,类间距离大,在大多数支持向量机(SVM)分类器可以建立准确的分类模型。太赫兹光谱是检测食用油种类和品质的一种重要手段,研究针对食用油太赫兹光谱的特征提取技术对于食用油种类和品质快速检测具有重要意义。虽然利用太赫兹光谱检测食用油种类和品质已经具备理论基础,但是如何准确提取食用油太赫兹光谱的特征,从而建立更加准确的分类模型依然是一个难点。目前研究人员常常采用化学计量学中的主成分分析法(PCA)提取特征,结合机器学习的方法建立物质分类模型。然而,食用油的太赫兹光谱的线性可分情况在不同频段有不同的特性。当食用油的太赫兹光谱线性可分时,使用PCA提取特征是可行的,容易建立准确的分类模型。但是,当食用油的太赫兹光谱线性不可分时,使用PCA提取到的特征往往不够准确,需要选择合适的分类器去建立准确的分类模型。结合径向基函数和KPCA的特征提取方法通过径向基函数将线性空间不可分的太赫兹光谱数据映射到径向基空间,然后使用KPCA提取特征,最终实现特征线性可分,从而可以建立更加准确的分类模型。实验首先使用滑动窗口平均滤波算法对3种食用油太赫兹光谱数据进行滤波处理,接着使用径向基函数对太赫兹光谱进行非线性映射,然后采用KPCA进行数据降维,最后用支持向量机对食用油建立分类模型,验证特征提取效果。类间可分性计算结果表明,该方法所提取的特征类内距离更小,类间距离更大,整体上特征提取效果优于PCA和KPCA。基于不同内核的SVM模型上进行分类验证的实验结果表明,在PCA和KPCA提取的特征在一些分类模型上无法准确区分食用油种类的情况下,该工作特征提取方法在各种内核的SVM模型上均能准确区分食用油种类。所提出的方法用于食用油太赫兹光谱特征提取有更好的效果,在食用油品质检测与分析方面具有良好的应用价值。     

一种基于主分量分析的恒星光谱快速分类法

恒星光谱分类是天体光谱自动识别中的重要组成部分。本文主要介绍一种实用的基于主分量分析(PCA)法对恒星光谱进行快速自动的分类方法。该方法在恒星的主分量空间中对样本点进行投影 ,并利用最近邻分类器进行分类 ,获得与恒星MK分类标准的光谱型基本一致的结果。本文的主要工作有 :(1 )利用PCA方法构造恒星光谱的特征矩阵 ,建构恒星的主分量空间 ;(2 )对恒星光谱进行主分量投影 ,对投影点进行光谱型和光度级的分类器设计 ,利用最近邻法分类 ,最后得出恒星的分类树。该分类法速度快 ,分类准确率较高 ,对目前许多大型光谱巡天计划所获得的大量光谱数据的处理有着重要的意义。     

基于卷积型小波包变换的谱线自动提取方法

天体光谱中的谱线包含重要的天体物理信息。文章提出一种基于卷积型小波包变换的谱线自动提取方法。该方法由以下主要步骤组成：(1)将观测光谱进行4层卷积型小波包变换;(2)对第四层小波包系数,采用区域相关算法以及阈值处理方法进行噪声处理;(3)选择中高频小波包系数进行谱线特征重构;(4)根据重构后的谱线特征,利用谱线搜索方法,在观测光谱中提取谱线。作者在实验中用恒星、正常星系和活动星系光谱进行谱线提取测试,结果表明该方法具有对噪声鲁棒和谱线提取准确等特点。用该方法提取sloan digital sky survey(SDSS)光谱中的谱线后,计算了红移并与SDSS给出的红移进行了对比,实验结果间接验证了该方法提取谱线的有效性。     

基于I-BGLAM纹理和光谱融合的高光谱显微成像木材树种分类

为了提高木材树种分类的正确率,提出了一种基于I-BGLAM纹理特征和光谱特征融合的高光谱图像的木材树种分类方法。实验数据是利用SOC710VP高光谱成像仪获取的可见光/近红外（372.53~1 038.57 nm）范围内的高光谱图像。首先,利用基于OIF的特征波段选择方法降低高光谱图像的维数,选择出含有信息量大的波段。其次,对选择出的波段图像使用NSCT及NSCT逆变换得到融合图像,对得到的融合图像使用I-BGLAM提取其纹理特征。与此同时,对高光谱图像的全波段求取平均光谱并进行S-G（Savitzky-Golay）平滑得到光谱特征。最后,将得到的纹理特征和光谱特征融合后送进极限学习机（ELM）中进行分类。此外,还和基于灰度共生矩阵（GLCM）的木材识别的传统方法以及近几年木材树种识别领域内被提出的主流方法进行了比较。该研究主要创新点有两个：一是将强纹理提取器I-BGLAM用于高光谱图像中提取其纹理特征;二是提出一种新的特征融合的模型用于高光谱图像的分类。针对8个树种的实验结果表明,单独使用I-BGLAM提取的纹理特征来进行分类的正确率最高可到达88.54%,而使用GLCM提取纹理特征的传统方法正确率最高只有76.04%,该结果可以得出本文使用I-BGLAM在纹理特征提取方面要优于GLCM,这为后面建立的融合模型打下很好的基础,单独使用平均光谱特征来分类的正确率最高可以达到92.71%,使用所提出的特征融合方法所得到的分类正确率最高可达到100%,这说明使用所提出的融合模型来分类要比以前单独使用某一种特征的分类模型要好。此外,使用所提出的方法得到的分类正确率要高于本领域内其他两种主流的识别方法。因此,所提出的基于I-BGLAM纹理特征和光谱特征融合的方法能够提高木材树种分类的正确率,该方法在木材树种分类方面有着一定的利用价值。     

在SDSS DR8恒星光谱中自动搜寻稀有天体

SDSS DR8海量光谱中包含许多有研究价值的稀有天体,如特殊白矮星(DZ,DQ,DC)、碳星、白矮主序双星、激变变星等,如何在海量光谱中自动搜寻稀有天体有着极其重要的意义。提出一种基于核密度估计和K-近邻(K-nearest neighbor, KNN)相结合的方法在SDSS DR8 信噪比大于5的546 383个恒星光谱中搜寻稀有天体。首先对光谱进行高斯核密度估计,选取概率最小的5 000个光谱作为稀有类,概率最大的300 000个光谱作为普通类,然后进行KNN分类,同时也将5 000个稀有光谱的K个最近邻也作为稀有的天体,结果共有21 193条光谱。为了方便分析,对这些光谱聚类后进行人工检查。这些光谱主要包括由于数据缺失、红化、流量定标不准引起的问题光谱、行星状星云、没有物理联系的光谱双星、类星体、特殊白矮星(DZ,DQ,DC)、碳星、白矮主序双星、激变变星等。通过和SIMBAD,NED,ADS及一些主要的文献交叉验证,我们新发现了3个DZ白矮星、1个白矮主序双星、2个伴星为G型星的激变变星,3个激变变星的候选体、6个DC白矮星,1个DC白矮星候选体和1个 BL Lacertae(BL lac)候选体。还发现了1个有CaⅡ三重发射线和MgⅠ发射线的DA白矮星和1个光谱上表现出发射线的晚M恒星但测光图上像是一个星云或星系。     

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.     

Nuclear ferromagnetism and crystallization in Coulombic systems

Extending the explicit calculations for freezing and ferromagnetic transitions in electron liquids, we derive the phase diagram of these transitions for dense metallic hydrogen. Astrophysical consequences including an account for the magnetic white dwarfs and a possibility of a “magnetic brown dwarf” are considered.     

General relativistic effects in the structure of massive white dwarfs

In this work we investigate the structure of white dwarfs using the Tolman–Oppenheimer–Volkoff equations and compare our results with those obtained from Newtonian equations of gravitation in order to put in evidence the importance of general relativity (GR) for the structure of such stars. We consider in this work for the matter inside white dwarfs two equations of state, frequently found in the literature, namely, the Chandrasekhar and Salpeter equations of state. We find that using Newtonian equilibrium equations, the radii of massive white dwarfs (\(M>1.3M_{\odot }\)) are overestimated in comparison with GR outcomes. For a mass of \(1.415M_{\odot }\) the white dwarf radius predicted by GR is about 33% smaller than the Newtonian one. Hence, in this case, for the surface gravity the difference between the general relativistic and Newtonian outcomes is about 65%. We depict the general relativistic mass–radius diagrams as \(M/M_{\odot }=R/(a+bR+cR^2+dR^3+kR^4)\), where a, b, c and d are parameters obtained from a fitting procedure of the numerical results and \(k=(2.08\times 10^{-6}R_{\odot })^{-1}\), being \(R_{\odot }\) the radius of the Sun in km. Lastly, we point out that GR plays an important role to determine any physical quantity that depends, simultaneously, on the mass and radius of massive white dwarfs.     

A reliable analytical algorithm for space–time fractional cubic isothermal autocatalytic chemical system

The nucleus-acoustic shock waves (NASWs) propagating in a white dwarf plasma system, which contain non-relativistically or ultrarelativistically degenerate electrons, non-relativistically degenerate, viscous fluid of light nuclei, and immobile nuclei of heavy elements, have been theoretically investigated. We have used the reductive perturbation method, which is valid for small but finite-amplitude NASWs to derive the Burgers equation. The NASWs are, in fact, associated with the nucleus-acoustic (NA) waves in which the inertia is provided by the light nuclei, and restoring force is provided by the degenerate pressure of electrons. On the other hand, the stationary heavy nuclei participate only in maintaining the background charge neutrality condition at equilibrium. It is found that the viscous force acting in the fluid of light nuclei is a source of dissipation, and is responsible for the formation of NASWs. It is also observed that the basic features (polarity, amplitude, width, etc.) of the NASWs are significantly modified by the presence of heavy nuclei, and that NASWs are formed with either positive or negative potential depending on the values of the charge density of the heavy nuclei. The basic properties are also found to be significantly modified by the effects of ultrarelativistically degenerate electrons. The implications of our results in white dwarfs are briefly discussed.     

Edmund Stoner and white dwarf stars

The discovery of a limiting mass for white dwarf stars is today usually attributed to Subramanian Chandrasekhar. However, it would seem that an article by Edmund Stoner, which appeared in the Philosophical Magazine in 1930, was the first publication to give a convincing demonstration of the existence of a limiting mass for white dwarfs. We examine here why it is that the contributions of Stoner and others towards this discovery have been largely forgotten.     

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.