屈彩霞，楊海峰，蔡江輝, 荀亞玲

太原科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030024

引 言

LEGAS是LAMOST(large sky area multi-object fiber spectroscopic telescope)工程主要的巡天任務(wù)之一，包括河外星系紅移巡天和類星體巡天，目前第一期巡天任務(wù)(5年)已順利完成，成功獲取河外天體光譜數(shù)達(dá)150 000余條[1]。 目前利用LAMOST河外星系、類星體光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行的科學(xué)研究主要集中在兩個(gè)方面： (1) 與LAMOST科學(xué)任務(wù)一致的紅移測(cè)量、星系/類星體分類識(shí)別、星系對(duì)等方面的研究[2]。 比如Zhao等利用LAMOST完備小天區(qū)的星系光譜測(cè)量了星系的光度函數(shù)[3]； Wang等利用線指數(shù)對(duì)LAMOST河外星系光譜進(jìn)行了分類，與星系形態(tài)分類具有較好的一致性[4]； 等等。 (2) 珍稀、奇異的天體光譜發(fā)現(xiàn)/證認(rèn)，這些樣本侯選體對(duì)完善現(xiàn)有星系乃至宇宙學(xué)理論具有重要的科學(xué)意義。 比如Shi等針對(duì)LAMOST DR1星系光譜中存在的雙峰窄發(fā)射線結(jié)構(gòu)光譜進(jìn)行了系統(tǒng)搜尋及分析[5]； 此外HST和LAMOST用于發(fā)現(xiàn)雙AGN候選體E+A星系、星系對(duì)等[6]。 從海量的巡天光譜中，發(fā)現(xiàn)并分析證認(rèn)這些特殊性質(zhì)的目標(biāo)天體，可以為相應(yīng)的科學(xué)研究提供重要的侯選體樣本，從而有利于完善現(xiàn)有的星系以及宇宙的形成和演化理論。

本工作討論LAMOST河外星系光譜中具有稀有特征的星系光譜： LAMOST J152238.11+333136.1，針對(duì)該星系光譜中呈現(xiàn)出的疑似P-Cygni輪廓特征，結(jié)合現(xiàn)有的文獻(xiàn)及測(cè)光圖像，分析該目標(biāo)區(qū)別于一般星系的特征。

1 LAMOST J152238.11+333136.1基本信息

1.1 離群數(shù)據(jù)挖掘

LEGAS巡天已成功獲取超過(guò)150 000條河外星系光譜數(shù)據(jù)，為發(fā)現(xiàn)、探索稀有、珍貴的光譜提供了數(shù)據(jù)條件，而先進(jìn)的數(shù)據(jù)挖掘方法為找到這些稀有數(shù)據(jù)提供了有效途徑[7-8]。

光譜LAMOST J152238.11+333136.1是本課題組之前作DoPS方法獲得的離群數(shù)據(jù)集合中發(fā)現(xiàn)的[9]。 DoPS方法旨在系統(tǒng)地搜尋LAMOST DR5中具有雙峰發(fā)射線輪廓的光譜，通過(guò)采用相關(guān)子空間對(duì)已標(biāo)記的雙峰數(shù)據(jù)集進(jìn)行特征提取，并采用SVM獲得分類閾值，針對(duì)滿足該閾值的后5 000條光譜進(jìn)行人眼證認(rèn)，發(fā)現(xiàn)光譜J152238.11+333136.1上呈現(xiàn)出了P-Cygni稀有特征，因此特別選擇該光譜展開討論。

1.2 LAMOST J152238.11+333136.1基本信息

LAMOST J152238.11+333136.1位于北天高銀緯區(qū)域，于2015-04-21(農(nóng)歷初三，暗月夜)觀測(cè)獲得光譜[如圖1(a)所示]。 結(jié)合LAMOST觀測(cè)所得光譜的屬性，該目標(biāo)光譜基本信息為： 分辨率R≈1 800； 波長(zhǎng)范圍約為3 800～9 000 ?； 視寧度： 2.70 arcsec； 紅移z: 0.128 878(pipeline高估)； 類型為GALAXY； 赤經(jīng)RA為230.658 805 8； 赤緯DEC為33.526 699。

圖1 LAMOST J152238.11+333136.1與SDSS同源星系光譜圖

1.3 P-Cygni特征

P-Cygni輪廓是指在光譜上呈現(xiàn)發(fā)射線，并伴隨相鄰吸收線的特征，最早發(fā)現(xiàn)于天鵝座的一顆特殊恒星，其發(fā)射線無(wú)位移，吸收線向藍(lán)端位移，其形狀特征也酷似天鵝，因此也稱作“天鵝P譜線輪廓”。 從光譜[圖1(a)]上可以看出，該光譜除了藍(lán)端邊界區(qū)域質(zhì)量比較低外，其他部分尤其是呈現(xiàn)Hα，Hβ，[OⅢ]，[NⅡ]等幾個(gè)發(fā)射線特征的波長(zhǎng)段，其光譜質(zhì)量較高，且觀測(cè)日期是暗月夜，視寧度較好。 因此，光譜上呈現(xiàn)的天鵝P譜線輪廓是值得深入探討的。 由圖1(a)可知：

(1) 該光譜上Hβ和[OⅢ]λ4860處呈現(xiàn)明顯的P-Cygni形狀，其光譜紅移經(jīng)校正后為z: 0.125 4，其吸收線的紅移z: 0.124 5，二者相差0.000 9；

(2) 該光譜上NeⅢλ3869和HeⅠλ5874處呈現(xiàn)反P-Cygni形狀，其光譜紅移經(jīng)校正后為z: 0.125 4，其吸收線的紅移，前者為z1: 0.126 6，后者為z2： 0.128 1，前后二值不一致。

2 P-Cygni特征分析

在LAMOST當(dāng)前低分辨率星系光譜上，可能導(dǎo)致出現(xiàn)P-Cygni形狀的原因有兩種。 一是真P-Cygni輪廓，反映著目標(biāo)星系正經(jīng)歷著重要的活動(dòng)； 二是假輪廓，出現(xiàn)假輪廓主要是由噪聲、數(shù)據(jù)處理殘差等造成的。 因此，從以下4個(gè)角度對(duì)該星系呈現(xiàn)的特征進(jìn)行分析。

2.1 SDSS同源觀測(cè)

美國(guó)Sloan巡天對(duì)該星系也進(jìn)行了觀測(cè)，我們通過(guò)星表交叉，交叉半徑為3″，得到了一條同源光譜，如圖1(b)所示。 在該光譜中，HeⅠλ5874處特征與LAMOST光譜特征一致，存在一個(gè)反P-Cygni輪廓，但是經(jīng)檢測(cè)，該偏紅的吸收是其右側(cè)相鄰的NaD吸收所致。 在其他區(qū)域，特別在與LAMOST特征相對(duì)應(yīng)的Hβ，[OⅢ]λ4860等區(qū)域，均未呈現(xiàn)明顯的P-Cygni輪廓。

特征不一致的原因，我們分析可能有以下幾條：

(1)首先排除光譜質(zhì)量問(wèn)題。 該星系由SDSS和LAMOST兩次觀測(cè)g/r/i波段的信噪比較高，分別為(21.20/22.82/20.99)，(23.32/ 47.92/ 64.95)，并且從光譜上看，出現(xiàn)P-Cygni特征的位置噪聲毛刺也較少；

(2)同源交叉半徑為3”，實(shí)際兩次觀測(cè)目標(biāo)的坐標(biāo)差異比3″更小，但是考慮到光纖定位的精度問(wèn)題，并且該目標(biāo)是face-on的展源近鄰星系，因此，存在兩次觀測(cè)定位到星系不同位置的可能；

(3)觀測(cè)時(shí)間，SDSS和LAMOST觀測(cè)時(shí)間分別是： 2004.04.23，2015.04.21，二者相隔11年，因此，目標(biāo)星系有可能出現(xiàn)導(dǎo)致光譜呈現(xiàn)P-Cygni輪廓的噴流flow活動(dòng)。

圖2 LAMOST J152238.11+333136.1光譜與超級(jí)天光

圖3 鄰近光纖光譜

2.2 天光殘差分析

天光背景的扣除是光纖光譜數(shù)據(jù)處理的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，天光模型的質(zhì)量是影響減天光精度的主要因素之一[10-11]。 因此，由于參與形成P-Cygni輪廓的像素點(diǎn)較少，減天光數(shù)據(jù)處理過(guò)程也可能導(dǎo)致目標(biāo)光譜上呈現(xiàn)類似形狀。

圖2顯示了目標(biāo)光譜與超級(jí)天光的對(duì)應(yīng)情況，可以看出，天光光譜中λ5462.6和λ5576兩條強(qiáng)發(fā)射線正好在Hβ和[OⅢ]附近偏左的位置，因此，如果減天光過(guò)程扣除過(guò)多，是很可能造成圖中P-Cygni形狀的。 同時(shí)，由于天光光譜紅端特征比較密集，關(guān)于天光扣除的研究也比較多，從而對(duì)LAMOST光譜而言，紅端的扣除精度比藍(lán)端要高，因此，由天光殘差導(dǎo)致呈現(xiàn)該特征的可能性比較高。

我們對(duì)鄰近光纖的光譜情況進(jìn)行了檢查，如圖3所示。 可以看出，鄰近光纖的光譜在對(duì)應(yīng)的位置未發(fā)現(xiàn)疑似P-Cygni的形狀，從側(cè)面驗(yàn)證了該天區(qū)的超級(jí)天光構(gòu)造質(zhì)量。

2.3 目標(biāo)星系類型

對(duì)于該目標(biāo)，通過(guò)交叉SIMBAD以及查閱相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)其可能的類型有以下幾種：

(1) SDSS星表給出星系的子型是STARBURST，通過(guò)計(jì)算線強(qiáng)比[NⅡ]/Hα，[OⅢ]/Hβ，LAMOST和SDSS觀測(cè)的目標(biāo)光譜在BPT圖中的位置如圖4所示。 可看出兩者類型基本一致，處于HⅡ區(qū)與混合區(qū)的臨界位置。

(2) 該目標(biāo)由IRAS，WISE近紅外觀測(cè)，給出的類型是Seyfert 2型星系[12]； 其類型與利用光學(xué)光譜測(cè)量的類型不一致，我們推測(cè)可能是合理的，具體分析見小節(jié)2.4。

(3)在文獻(xiàn)[13-14]中，將該目標(biāo)歸類為Wolf-Rayet特征星系，即大質(zhì)量恒星在氫燃燒階段將其外殼以超星風(fēng)形式損失掉而暴露出來(lái)的星核。 Wolf-Rayet星是恒星特征，因此文獻(xiàn)[14]中認(rèn)為只是觀測(cè)到了星系的部分區(qū)域。

圖4 目標(biāo)星系的BPT分類

2.4 物理機(jī)制分析

若排除掉數(shù)據(jù)處理因素，導(dǎo)致低分辨光譜中呈現(xiàn)P-Cygni輪廓的主要原因是目標(biāo)天體正在經(jīng)歷的活動(dòng)。 對(duì)于恒星光譜中出現(xiàn)該特征的主要物理機(jī)制是該恒星殼層出現(xiàn)的星風(fēng)，導(dǎo)致光譜吸收線部分出現(xiàn)了偏移； 而對(duì)于河外星系光譜而言，主要是正在發(fā)生的噴流作用(分outflow外流和inflow內(nèi)流兩種)導(dǎo)致吸收線部分出現(xiàn)藍(lán)移或紅移。

排除NeⅢλ3869的特征基本不可信外，Hβ和[OⅢ]λ4860兩個(gè)波長(zhǎng)處的P-Cygni輪廓若為真，則其背后的物理機(jī)制可能是:

(1)由星系并合過(guò)程引發(fā)的外流所致。 我們推測(cè)這種可能是比較大的，文獻(xiàn)[12]在超亮近紅外星系星表中，記載著該目標(biāo)經(jīng)歷著并合活動(dòng)； 圖5顯示了SDSS和2MASS的測(cè)光圖像，從光學(xué)圖像(a)和近紅外圖像(b)差異上，可以推測(cè)可能存在兩個(gè)疊加的源，而光學(xué)圖像的右邊可能存在一個(gè)不太明顯的輪廓。 這也可以解釋前文光學(xué)光譜的類型和近紅外光譜的類型不一致的原因。

(2)由恒星形成(星爆)星系的電離氣體引發(fā)的外流所致。 文獻(xiàn)[15]記載著該源的恒星形成活動(dòng)引發(fā)的外流情況，這與光學(xué)光譜給出的STARFORMING/STARBURST類型結(jié)論一致，因此不能排除這個(gè)可能。

(3)Wolf-Rayet星的超星風(fēng)所致。 雖然文獻(xiàn)[14]的Wolf-Rayet星系星表中有記載，但是在光學(xué)光譜中未發(fā)現(xiàn)該星明顯的特征，因此，這種可能性不高。

圖5 SDSS和2MASS測(cè)光圖像

3 結(jié) 論

LAMOST J152238.11+333136.1是海量星系光譜數(shù)據(jù)離群挖掘結(jié)果中特征比較特殊的一條光譜，光譜上在Hβ，[OⅢ]λ4860等波長(zhǎng)處呈現(xiàn)稀有的P-Cygni輪廓，反映了該觀測(cè)目標(biāo)及觀測(cè)時(shí)刻呈現(xiàn)出的較稀有的現(xiàn)象。 由于星系自身活動(dòng)的相關(guān)特征、觀測(cè)技術(shù)手段限制、光譜分辨率等因素，在河外星系光譜中出現(xiàn)P-Cygni輪廓的比例非常低，說(shuō)明了光譜LAMOST J152238.11+333136.1的稀有程度。 從SDSS同源觀測(cè)、超級(jí)天光殘差、星系子類型差異、物理機(jī)制等角度，通過(guò)分析現(xiàn)有文獻(xiàn)、測(cè)量特征線強(qiáng)度比、結(jié)合圖像特征，對(duì)該P(yáng)-Cygni輪廓的真實(shí)性、背后的物理性質(zhì)等進(jìn)行了詳細(xì)討論。