多任务Sparse Group Lasso特征提取与支持向量机回归在恒星大气物理参量估计中的应用

多任务学习(Multi-task Learning,MTL)就是把多个问题一起进行分析、计算,以发掘不同问题之间的相关性,提高分析结果的精度,该类方法已被广泛地应用于机器学习、模式识别、计算机视觉等领域.使用多任务学习方案研究了恒星大气物理参数中表面温度(Teff)、表面重力加速度(lg g)、化学丰度([Fe/H])的估计问题.首先使用多任务Sparse Group Lasso算法提取对3个大气物理参数均有预测能力的光谱特征;然后使用支持向量机估计恒星大气物理参数.该方案在Sloan实测恒星光谱和理论光谱上均做了测试.在实测光谱上的平均绝对误差分别为:0.0064(lg(Teff/K)),0.1622(lg(g/(cm·s~(-2)))),0.1221 dex([Fe/H]).在由Kurucz的New Opacity Distribution Function(NEWODF)模型得到的理论光谱上也做了同样的特征提取和恒星大气物理参数估计测试,相应的平均绝对误差分别为:0.0006(lg(Teff/K))),0.0098(lg(g/(cm·s~(-2)))),0.0082 dex([Fe/H]).通过与文献中的同类研究比较表明,多任务Sparse Group Lasso特征提取与支持向量机回归(support vector machine regression,SVR)两者结合的方案有较高的恒星大气物理参量估计精度.     

恒星大气物理参量的非参数估计方法

恒星大气物理参量（有效温度、表面重力、化学丰度）是导致恒星光谱差异的主要因素．恒星大气物理参量的自动测量是LAMOST等大规模巡天望远镜所产生的海量天体光谱数据自动处理中一个重要研究内容．针对测量大样本的恒星光谱数据估计每个恒星的大气物理参量，提出了一种基于变窗宽核函数的估计算法：变窗宽算法是对固定窗宽算法的改进，分为3个步骤：（1）将历史恒星光谱数据进行PCA处理，得到光谱的低维特征数据；（2）利用特征数据与其物理参数的对应关系，建立一种变窗宽的非参数估计模型；（3）利用该估计模型，直接计算待测恒星光谱的3个物理参量（有效温度、表面重力、金属丰度）．实验结果表明：该方法与固定窗宽估计模型以及在其他文献中报道的方法相比，具有较高的估计精度和鲁棒性．     

主序星的Ⅴ波段经验质光关系

恒星质量是恒星物理以及恒星系统动力学研究中一个不可或缺的参量.双星轨道拟合是获取恒星(动力学)质量的最可靠途径,而绝大部分恒星的质量仍然需要通过恒星质光关系来估计,因此,通过拟合恒星动力学质量和光度数据得到经验质光关系的工作具有重要意义.尽管主序星的Ⅴ波段质光关系由于金属丰度的影响而具有一定的弥散性,但有研究表明这种影响主要限于恒星质量小于 0.6M_⊙的情况.对于较大质量的主序星,近年来的观测拟合研究积累了比较充分的动力学质量和Ⅴ波段光度数据,从而为显著改进上述质光关系提供了可能.利用一个能合理分配两个不同量纲观测量权重的拟合方法,根据 203 颗恒星的动力学质量和光度数据给出了主序星的Ⅴ波段经验质光关系,该结果对此前结果的改进不仅具有统计显著性,而且其对恒星质量估计的相对误差已达到约 5%.因此,该结果不仅可以用于开展有关恒星物理或恒星系统动力学方面的统计性研究,而且对具体实际多星系统的长期动力学研究和短期定位研究等也有应用价值.     

基于深度学习的LAMOST星系星族参数测量

星系的光谱包含其内部恒星的年龄和金属丰度等信息, 从观测光谱数据中测量这些信息对于深入了解星系的形成和演化至关重要. LAMOST (Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope)巡天发布了大量的星系光谱, 这些高维光谱与它们的物理参数之间存在着高度的非线性关系. 而深度学习适合于处理多维、海量的非线性数据, 因此基于深度学习技术构建了一个8个卷积层$+$4个池化层$+$1个全连接层的卷积神经网络, 对LAMOST Data Release 7 (DR7)星系的年龄和金属丰度进行自动估计. 实验结果表明, 使用卷积神经网络通过星系光谱预测的星族参数与传统方法基本一致, 误差在0.18dex以内, 并且随着光谱信噪比的增大, 预测误差越来越小. 实验还对比了卷积神经网络与随机森林回归模型、深度神经网络的参数测量结果, 结果表明卷积神经网络的结果优于其他两种回归模型.     

基于卷积神经网络的恒星光谱型和光度型的分类模型

恒星光谱分类是天文学中一个重要的研究问题.对于已经采集到的海量高维恒星光谱数据的分类,采用模式匹配方法对光谱型分类较为成功,但其缺点在于标准恒星模版之间的差异性在匹配实际观测数据中不能体现出来,尤其是当需要进行光谱型和光度型的二元分类时模版匹配法往往会失败.而采用谱线特征测量的光度型分类强烈地依赖谱线拟合的准确性.为了解决二元分类的问题,介绍了一种基于卷积神经网络的恒星光谱型和光度型分类模型(Classification model of Stellar Spectral type and Luminosity type based on Convolution Neural Network, CSSL CNN).这一模型使用卷积神经网络来提取光谱的特征,通过注意力模块学习到了重要的光谱特征,借助池化操作降低了光谱的维度并压缩了模型参数的数量,使用全连接层来学习特征并对恒星光谱进行分类.实验中使用了大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope, LAMOST)公开数据集Data Release 5 (DR5,用了其中71282条恒星光谱数据,每条光谱包含了3000多维的特征)对该模型的性能进行验证与评估.实验结果表明,基于卷积神经网络的模型在恒星的光谱型分类上准确率达到92.04%,而基于深度神经网络的模型(Celestial bodies Spectral Classification Model, CSC Model)只有87.54%的准确率; CSSL CNN在恒星的光谱型和光度型二元分类上准确率达到83.91%,而模式匹配方法MKCLASS仅有38.38%的准确率且效率较低.     

确定恒星表面有效温度的曲面拟合方法

恒星表面有效温度是恒星的一个重要物理参量，是恒星光谱差异的决定因素。本文提出了一种确定恒星表面有效温度的曲面拟合方法，所使用的拟合曲面模型是多项式的指数函数。首先对历史光谱数据进行PCA处理，再根据PCA特征数据与其表面温度的对应关系计算拟合曲面。通过实验，我们发现使用2维PCA数据和指数为3次多项式，根为10的指数函数模型所得到的拟合曲面，不仅有效好的拟合精度而且有很好的鲁棒性。本文的研究结果对恒星表面有效温度的自动测量具有重要的意义。     

基于CSST多色测光的时序测光精度分析

中国巡天空间望远镜(Chinese Survey Space Telescope, CSST)是中国的首个大型空间光学望远镜, 将对包括系外行星探测在内的诸多科学目标开展研究, 有望取得前沿科学进展. 时序测光精度是CSST重要的性能指标, 受到物理噪声和仪器噪声的影响, 需要通过数值模拟对其分析和评估. 模拟基于目前公布的CSST主要技术参数, 建立了时序的恒星信号和噪声模型, 以CSST的i波段为例, 分析凝视观测模式下的测光精度. 通过数值仿真, 展示了孔径测光中各项噪声的贡献, 特别是由指向抖动和像素响应不均匀性导致的抖动噪声. 模拟结果还给出了测光孔径的推荐范围. 为了获得更高的信噪比, 可以减小仪器抖动振幅和像素不均匀性, 或者采用参考星较差测光的方式. 结果为CSST后续的时序测光精度与不同指标参数的相关性分析、系外行星探测能力评估以及测光数据处理提供了模拟数据的支撑.     

猎户座分子云团中弥散电离介质的视向速度及线强度比分布

恒星形成区是研究恒星形成物理过程最重要的天体物理实验室. 猎户座分子云团是研究各种质量恒星形成和相关年轻恒星性质的一个著名天区. 通过对恒星形成区的光学光谱分析, 可以获取其内部热电离气体的运动学和化学性质. 基于国家大科学装置郭守敬望远镜(LAMOST)的光谱观测数据, 从LAMOST I期光谱巡天数据中筛选出8个指向猎户座分子云团的观测面板, 获取了1300多条针对猎户座分子云团内弥散电离介质的有效光谱. 选取不受星际介质污染的背景天光光谱构建超级天光, 对这些光谱数据做减天光处理, 并进一步测量其发射线性质，包括Ha、N Ⅱ] λ 6584、[S Ⅱ]λλ 6717和6731等发射线的中心波长和积分流量等.最后给出猎户座分子云团内弥散电离介质的视向速度和线强度比分布情况.     

一种新的基于2维傅里叶谱图像的恒星光谱特征提取方法和深度网络分类应用

天体光谱分类是天文学研究的重要内容之一,其关键是从光谱数据中选择和提取对分类识别最有效的特征构建特征空间.提出一种新的基于2维傅里叶谱图像的特征提取方法,并应用于LAMOST (the Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope)恒星光谱数据的分类研究中.光谱数据来源于LAMOST Data Release 5(DR5),选取30000条F、 G和K型星光谱数据,利用短时傅里叶变换(Short-Time Fourier Transform, STFT)将1维光谱数据变换成2维傅里叶谱图像,对得到的2维傅里叶谱图像采用深度卷积网络模型进行分类,得到的分类准确率是92.90%.实验结果表明通过对LAMOST恒星光谱数据进行STFT可得到光谱的2维傅里叶谱图像,谱图像构成了新的光谱数据特征和特征空间,新的特征对于光谱数据分类是有效的.此方法是对光谱分类的一种全新尝试,对海量天体光谱的分类和挖掘处理有一定的开创意义.     

主序星的V波段经验质光关系

恒星质量是恒星物理以及恒星系统动力学研究中一个不可或缺的参量.双星轨道拟合是获取恒星(动力学)质量的最可靠途径,而绝大部分恒星的质量仍然需要通过恒星质光关系来估计,因此,通过拟合恒星动力学质量和光度数据得到经验质光关系的工作具有重要意义.尽管主序星的V波段质光关系由于金属丰度的影响而具有一定的弥散性,但有研究表明这种影响主要限于恒星质量小于0.6M_⊙的情况.对于较大质量的主序星,近年来的观测拟合研究积累了比较充分的动力学质量和V波段光度数据,从而为显著改进上述质光关系提供了可能.利用一个能合理分配两个不同量纲观测量权重的拟合方法,根据203颗恒星的动力学质量和光度数据给出了主序星的V波段经验质光关系,该结果对此前结果的改进不仅具有统计显著性,而且其对恒星质量估计的相对误差已达到约5%.因此,该结果不仅可以用于开展有关恒星物理或恒星系统动力学方面的统计性研究,而且对具体实际多星系统的长期动力学研究和短期定位研究等也有应用价值.     

Algorithmic regularization of the few-body problem

Using a modified leapfrog method as a basic mapping, we produce a new numerical integrator for the stellar dynamical few-body problem. We do not use coordinate transformation and the differential equations are not regularized, but the leapfrog algorithm gives regular results even for collision orbits. For this reason, application of extrapolation methods gives high precision. We compare the new integrator with several others and find it promising. Especially interesting is its efficiency for some potentials that differ from the Newtonian one at small distances.     

The fate of dwarf galaxies in clusters and the origin of intracluster stars

The main goal of this paper is to compare the relative importance of destruction by tides vs. destruction by mergers, in order to assess if tidal destruction of galaxies in clusters is a viable scenario for explaining the origin of intracluster stars. We have designed a simple algorithm for simulating the evolution of isolated clusters. The distribution of galaxies in the cluster is evolved using a direct gravitational N-body algorithm combined with a subgrid treatment of physical processes such as mergers, tidal disruption, and galaxy harassment. Using this algorithm, we have performed a total of 148 simulations. Our main results are:

Asteroid orbits using phase-space volumes of variation

We present a statistical orbit computation technique for asteroids with transitional observational data, that is, a moderate number of data points spanning a moderate observational time interval. With the help of local least-squares solutions in the phase space of the orbital elements, we map the volume of variation as a function of one or more of the elements. We sample the resulting volume using a Monte Carlo technique and, with proper weights for the sample orbital elements, characterize the six-dimensional orbital-element probability density function. The volume-of-variation (VOV) technique complements the statistical ranging technique for asteroids with exiguous observational data (short time intervals and/or small numbers of observations) and the least-squares technique for extensive observational data. We show that, asymptotically, results using the new technique agree closely with those from ranging and least squares. We apply the technique to the near-Earth object 2004 HA₃₉, the main-belt object 2004 QR and the transneptunian object 2002 CX₂₂₄ recently observed at the Nordic Optical Telescope on La Palma, illustrating the potential of the technique in ephemeris prediction. The VOV technique helps us assess the phase transition in orbital-element probability densities, that is, the non-linear collapse of wide orbital-element distributions to narrow localized ones. For the three objects above, the transition takes place for observational time intervals of the order of 10 h, 5 d and 10 months, respectively, emphasizing the significance of the orbital-arc fraction covered by the observations.     

Azimuthal impact directions from oblique impact crater morphology

Planetary impact craters have a high degree of radial symmetry. This hampers efforts to identify the azimuthal impact direction for most craters – the radially symmetric component of an impact crater swamps any asymmetries that may be present. We demonstrate how the asymmetric component can be isolated and the direction of the asymmetries quantified using a two-dimensional eigenfunction expansion over a circular domain. The complex coefficients of expansion describe the magnitude and phase (angular alignment) of each term. From the analysis of hypervelocity impact craters formed in the laboratory, with impact angles ranging from 0° to 50° from the surface normal, we show that asymmetries which reveal the impact direction are still present at just 10° from the surface normal, and that the phase of one complex coefficient of expansion, c ₁₁, indicates the impact direction. Analysis of the lunar crater Hadley shows bilateral symmetry in the radially asymmetric component, which may be due to oblique impact. The 31-km lunar ray crater Kepler has morphological features that indicate the azimuthal impact direction. Coefficient c ₁₁ gives an azimuthal impact direction similar to that expected from the morphology, although post-impact gravitational collapse and slumping obscure the result to some degree. Ray craters may provide a means of testing the method for smaller 'simple' craters when data are available.     

Evolution of Class 0 protostars: models versus observations

The rates at which mass accumulates into protostellar cores can now be predicted in numerical simulations. Our purpose here is to develop methods to compare the statistical properties of the predicted protostars with the observable parameters. This requires (1) an evolutionary scheme to convert numerically derived mass accretion rates into evolutionary tracks and (2) a technique to compare the tracks to the observed statistics of protostars. Here, we use a 3D Kolmogorov–Smirnov test to quantitatively compare model evolutionary tracks and observations of Class 0 protostars.
We find that the wide range of accretion functions and time-scales associated with gravoturbulent simulations naturally overcome difficulties associated with schemes that use a fixed accretion pattern. This implies that the location of a protostar on an evolutionary track does not precisely determine the present age or final accrued mass. Rather, we find that predictions of the final mass for protostars from observed   T _bol– L _bol  values are uncertain by a factor of 2 and that the bolometric temperature is not always a reliable measure of the evolutionary stage. Furthermore, we constrain several parameters of the evolutionary scheme and estimate a lifetime of Class 0 sources of  2–6 × 10⁴ yr  , which is related to the local free-fall time and thus to the local density at the onset of the collapse. Models with Mach numbers smaller than six are found to best explain the observational data. Generally, only a probability of 70 per cent was found that our models explain the current observations. This is caused by not well-understood selection effects in the observational sample and the simplified assumptions in the models.     

恒星射电耀发6cm波段偏振观测试验

利用新疆天文台南山基地25m射电望远镜在6cm波段对恒星V772 Her和βPer进行了偏振观测试验.通过数据处理和校准得到恒星的射电光变曲线.探测到V772 Her的射电耀发现象,耀发时的线偏振度约达30%,偏振位置角约4°;探测到βPer的缓变成份及叠加其上的快速耀发,βPer耀发时线偏振很弱.