我国目前正在建造的世界上最大规模、总投资达2.35亿元人民币的大型天文观测仪器“大天区面积多目标光纤光谱望远镜”(LAMOST),正在顺利实施中。其中一项关键技术,LAMOST海量光谱的自动识别与分析系统,经过中科院国家天文台天文学家和中科院自动化所技术专家的联合作战,于近日完成了技术理论的研究工作,LAMOST最重要的实用系统的框架设计方案由此确定。
据有关研究人员介绍,目前国际上大型的巡天观测设备有两个。一个是美国的SDSS,一次能观测640个天体;另一个是英国和澳大利亚合作建立的2DF,一次能观测400个天体。我国正在建造的LAMOST,将一次观测4000个天体,建成后将成为“世界之最”,并由此支撑起一个庞大的天文观测数据库,供天文学家在此基础上开展前沿研究。在技术上,LAMOST除计算容量和速度必须增加外,所获天体的光谱会更暗,因而提高了识别的技术难度。这无疑是对我国科学家的一次挑战。
这一技术处理的结果将直接影响到我国天文学乃至国际天文研究发展的水平。因为诸多天文学研究都依赖于LAMOST所获得的天体资料,而LAMOST海量光谱的识别与分析系统则负责对所获资料的预处理和分析入库,是后分析的基础,也是天文观测的一个瓶颈技术。如果处理不好,会使望远镜的实际观测能力大大降低,从而浪费许多宝贵的潜在机会以及时间和财物;如果处理理想,就能最大限度地发挥望远镜的功效,为天文学家争取到最真实最清晰的第一手资料。
由于LAMOST在每个观测夜晚能够采集万余条光谱,以往天文学家进行人工识别光谱的方式已不能适用,急需研究海量天体光谱的自动识别、分类以及物理参数自动测量等技术,这一领域的研究在世界范围内也属于全新的课题。
同时,宇宙中存在着各种各样不同的天体,科学家们首先需要区分它们是银河系内还是银河系外的天体;由于河外天体主要是星系,星系由成千上亿的恒星和大气组成,据其是否具有活动辐射区,又可分成活动星系和正常星系;活动星系又能分为星暴星系和活动星系核AGN;等等。
此外,由于天体的运动,在观测光谱中总有红移现象。光谱红移的原因可以用多普勒效应来解释:只要光源远离我们运动,光谱就会向红端移动?即“红移”?,反之就会向紫端移动?“紫移”?;而且红移或紫移越大,光源移动的速度也越快。在LAMOST的观测光谱中,红移值之前却一直未知。
为了有效解决这一系列科学问题,自动化领域的专家协助天文学家寻找有效的对天体光谱进行自动识别分类和参数测量的算法,进而开发出可供LAMOST工程使用的光谱自动识别分类的软件包。目前他们通过合作,已建立了各种类型的光谱库。
关于对未知红移的河内天体和河外天体的光谱自动识别问题,科研人员提出分两步走:先进行活动天体与非活动天体的光谱自动识别,然后进行恒星与正常星系的光谱自动识别,这两步骤的研究现在已经提出有效而鲁棒的方法。
对银河系内天体的恒星光谱型的自动识别研究,专家提出了一种叫做“基于PCA的恒星快速分类法”。研究人员称,这一方法采用PCA分析出了恒星类型的分布规律,并获得了快速而计算量小的分类方法。
关于红移的自动测量技术研究,专家们提出类星体的红移自动测量技术,也获得了较高的精度。
在这些研究工作的基础上,我国科学家对LAMOST的海量天体光谱自动识别分析系统进行了实用的系统框架设计,将为天文学的研究与发展打下坚实基础。