利用LAMOST数据校准K2-C1天区变星的恒星参数

利用LAMOST数据校准K2-C1天区变星的恒星参数
作者：张汝媛　付建宁
2018年5月9日

本作品收錄於《中国科学数据》

张汝媛, 付建宁. 利用LAMOST数据校准K2-C1天区变星的恒星参数[J/OL]. 中国科学数据, 2018. (2018-05-09). DOI: 10.11922/csdata.2018.0012.zh.

摘要&关键词

摘要：LAMOST是位于中国科学院国家天文台兴隆观测站的大视场多目标光谱望远镜，目前拥有世界上最大的低分辨率光谱数据库，其地理位置决定了它可观测到赤纬Dec -10度以上的天区，LAMOST为众多空间项目提供了地面支持，其中包括对K2-C1（Ra:11:35:46，Dec: 01:25:02）天区脉动变星和食双星的观测。本数据利用LAMOST第三次释放的恒星参数对K2-C1天区355颗有周期变化的脉动变星和食双星的基本恒星参数进行校准，校准后的巨星和矮星有效温度误差分别约为131 K和104 K，表面重力加速度误差分别约为0.19 dex和0.16 dex，金属丰度误差分别为0.15 dex和0.10 dex，此数据精度将对K2-C1天区变星的研究有推动作用。

关键词：LAMOST；K2-C；变星；恒星参数

Abstract & Keywords

Abstract:  LAMOST is a large-field-of-view multi-object spectroscopic telescope located at the Xinglong Observatory in China. It currently has the largest low-resolution spectral database in the world. Its geographic location determines that it can observe declination-declining sky regions above -10 degrees. LAMOST is a powerful facility which can provide ground support for space missions, including observations of variable stars and eclipsing binaries in the K2-C1 field (Ra:11:35:46, Dec: 01:25:02). We identified and calibrated 355 variable stellar parameters using LAMOST DR3 data. The effective temperature error of calibrated giant stars and dwarf stars is approximately 131K and 104K, respectively. The surface gravity acceleration error is around 0.19dex and 0.16dex, the metal abundance error is 0.15dex and 0.10dex, and this data accuracy will promote research on the variable stars of the K2-C1 sky area.

Keywords: LAMOST; K2-C1; variable star; stellar parameters

数据库（集）基本信息简介

数据库（集）名称	355颗K2-C1天区变星校准的恒星参数
数据作者	张汝媛，付建宁
数据通信作者	张汝媛（201521160015@mail.bnu.edu .cn）
数据时间范围	2011～2015年
空间分布	Ra:11:35:46，Dec: 01:25:02
分辨率	R~1800
数据量	50 KB
数据格式	*.txt
数据服务系统网址	http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/584
基金项目	脉动白矮星的搜寻和精确星震学研究，国家自然科学基金面上项目，11673003；银盘结构、星族及其化学和动力学研究，科技部973项目子课题，2014CB845700。
数据库（集）组成	该数据库主要包括355颗K2-C1天区有确定周期的脉动变星和食双星的周期信息，及校准过的恒星大气参数，包括Teff ，log g，[Fe/H]，Vr，这些参数主要来自2011-2015年LAMOST释放的恒星基本参数数据。

Dataset Profile

Title	Calibrated stellar parameters of 355 varible stars in the K2-C1 field
Data corresponding author	Zhang Ruyuan (201521160015@mail.bnu.edu.cn)
Data authors	Zhang Ruyuan, Fu Jianning
Time range	2011~2015
Geographical scope	Ra:11:35:46, Dec: 01:25:02
Resolution	R~1800
Data volume	50 KB
Data format	*.txt
Data service system	http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/584
Sources of funding	National Nature Science Foundation of China (Grant No. 11673003); National Basic Research Program of China (Grant No. 2014CP845700).
Database composition	The database mainly includes information on the periods and stellar parameters of 355 variable stars calibrated using LAMOST data, including Teff, log g, [Fe/H], and Vr. All of those stellar parameters are from the LAMOST DR3(2011-2015) dataset.

引 言

K2观测的高精度测光数据为寻找系外行星和对恒星进行星震学研究提供了得天独厚的条件。该项目的观测天区由20个分布在黄道面的子天区组成，其观测目标布于银河系自南到北的区域中，观测源的种类广泛，年龄跨度大。其中，脉动变星和食双星的数量在K2的目标源中占了巨大的比例。K2每年可获得约40 000颗恒星的测光数据，包括30分钟的长曝光测光数据和1分钟短曝光观测数据^[1]。充分利用这些数据将对恒星的演化研究和银河系各部分的研究起推动作用。

通过对脉动变星的研究可以了解疏散星团的演化和结构，同时它还是探测恒星内部结构，验证恒星演化理论的有效工具。此外，脉动恒星的绝对光度、密度以及年龄等参数与脉动周期有关，利用精确的恒星参数对其进行研究，对测量恒星的距离也有重要意义。

1 数据采集和处理方法

1.1 数据采集方法

本数据集由我国自行设计和建造的大口径多目标大视场光纤光谱望远镜LAMOST（Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy）观测。它是一架新型大视场、兼大口径施密特主动光学望远镜，又称郭守敬望远镜。该望远镜位于中国科学院国家天文台兴隆观测站（东经7小时50分，北纬40度23分），海拔为960米，其主镜有效口径约为4米，视场为20平方度，第一期巡天项目光谱分辨率为R=1800，一次曝光可同时获取4000个目标的光谱。它是具有高效光谱采集率的望远镜，是目前光谱获取率最高的仪器。

自2011年LAMOST正式巡天启动以来，它已拥有世界上最大的低分辨率光谱数据库，并且为多个巡天项目提供了地面支持。对于不同亮度的星，LAMOST的观测优先度不同。观测源按观测优先顺序被分为三等，分别是亮星（Kp≤10.5），中等亮度的星（10.5＜Kp≤15.5）和暗星（Kp＞15.5）。由于LAMOST光纤分布的结构特殊，观测中每个plate（LAMOST 每曝光一次观测的天区范围）会根据观测源的亮度不同被分为4个种类，分别是V-plate（9＜r≤14）,B-plate (14<r≤16.3)，M-plate (16.3＜r≤17.8)，F-plates (17.8＜r≤18.5)，通过分类观测可较好地根据目标源的亮度和天气情况调整曝光时间，防止由于观测源亮度差异过大造成观测数据饱和或者曝光时间不足等现象^[2]。

1.2. 数据处理

LAMOST观测的恒星参数由专门的自动处理软件来进行处理，第三次释放的LAMOST数据由LASP（LAMOST stellar parameter Pipeline）v2.7.5处理软件分析释放，该软件专门用于对LAMOST的光谱数据进行处理及相应恒星参数分析。光谱的预处理程序包括两步：2D和1D。其中2D的主要目的是抽取CCD图片中的原始数据，包括对观测图像扣除本底暗流、平场改正、光谱抽取、减天光背景、波长定标、合并多个波段光谱数据等过程。完成2D处理的光谱数据将会被用于下一步的处理中。1D过程的主要目的是对光谱类型进行分类，并从中测出视向速度Vr，得到观测目标的红移量。到此，LAMOST光谱已完成预处理过程。

经过以上处理后的光谱将会通过LAMOST自动光谱分析系统，得到恒星基本参数。LAMOST所使用的恒星参数分析系统为LASP系统。该系统采用了两种分析方法，CFI（Correlation Function Interpolation）和UlySS（Universite de Lyon Spectroscopic analysis Software）。CFI系统将分析出初始恒星参数，由特殊的算法找到与观测谱符合最好的人工合成谱，分别得到有效温度（Teff）、表面重力加速度（log g）、金属丰度（[Fe/H]），这些参数将作为UlySS系统的初始值进行下一步分析。UlySS系统是里昂大学发展的一套光谱自动分析方法，主要通过计算模型和观测谱之间的最小卡方误差来确定符合最好的两条光谱。在这一过程中，要求模型和观测谱之间的分辨率和采样率完全相同。经过这些步骤后将确定出最终的四个恒星参数。LASP系统对于光谱型为A、F、G、K星的恒星参数估计最为可靠。在此分析过程中第一步是对原始光谱数据进行处理，粗略估计恒星参数，第二步中使用归一化光谱，分析得到最终的恒星参数^[3]。

2 数据样本描述

本数据的目标源是分布于K2-C1天区的脉动变星和食双星。这些脉动变星以及食双星来自2015年和2016年Armstrong等人^[4][5]通过K2高精度的测光数据证认的变星星表，其中包括154颗天琴座RR变星，377颗盾牌座δ变星，133颗剑鱼座γ变星，183颗相接双星和290颗半相接双星，以及其他无稳定周期的变星。最终通过K2输入星表的ID值确定与LAMOST的共同源，为保证数据集中样本的准确性，此数据表中去除了无稳定周期变化的候选源，确认了355颗位于K2-C1天区有明显周期变化的恒星。数据以表格形式释放，表1对每一列数据的情况进行说明，部分星表参数见表2。

表1 数据表头信息说明

参数名称	说明	备注	参数名称	说明	备注
EPIC	观测源在K2输入星表中的ID号	ID号的命名规则详见Huber[6]	Teff_err	恒星有效温度误差	单位为K
Type	观测源周期类型	EB（食双星）、P（周期变星）、QP（准周期变星）	log g	校准后的恒星表面重力加速度	单位为dex
Per	周期值	单位为天	log g_err	恒星表面重力加速度误差	单位为dex
RA	目标源的赤经坐标（J2000）		[Fe/H]	校准后的恒星金属丰度	单位为dex
DEC	目标源的赤纬坐标(J2000)		[Fe/H]_err	恒星金属丰度的误差	单位为dex
S/Ng	LAMOST光谱在g波段的信噪比	可以由此判断光谱的质量从而估计恒星参数的误差	Vr	恒星视向速度	单位km/s
Teff	校准后的恒星有效温度	单位为K	Vr_err	恒星视向速度误差	单位为km/s

表2 校准后的K2-C1天区变星恒星参数

EPIC	Type	Per	RA	DEC	'S/N'g	'T'eff	'T'eff'_'err	log g	'log g_'err	[Fe/H]	'[Fe/H]_'err	'V'r	'V'r_err
201306196	EB	7.257947	179.8835	-2.35758	106.45	5047.9±	146.12	3.2125	0.20528	-0.53684	0.16084	-26.3	1.8
201763507	EB	11.23761	169.1775	4.71739	73.19	5117.6	126.91	3.6628	0.18504	-0.84375	0.12248	-51.6	2.4
201637354	EB	3.387327	170.4218	2.62197	20.9	5403.9	156.99	3.7674	0.23405	-0.59375	0.16435	15.1	18
201680569	EB	0.392455	173.5193	3.31591	9.91	4706.9	188.77	3.8721	0.28586	-0.42708	0.20473	53	18.9
201460467	EB	1.066112	177.3923	-0.06812	43.46	4474.5	136.25	4.2209	0.20018	-0.5625	0.13609	-46.8	11.2
201705526	EB	18.12044	172.3858	3.73211	287.08	5839.2	117.91	4.2558	0.16929	-0.13542	0.10628	0.9	0.8
201577035	EB	19.30721	172.122	1.69064	22.67	5308.8	154.2	4.4302	0.22949	-0.16667	0.16066	3.8	78
201545587	P	5.098039	177.6293	1.22076	25.43	5569.6	150.47	3.814	0.22339	-0.3125	0.15568	2.4	18.7
201711881	P	2.734881	172.1657	3.84064	320.14	7592.2	117.94	3.8605	0.169	-0.10417	0.10582	-8.1	3.2
201922329	P	3.113226	174.6347	7.80552	134.73	5353.9	120.56	4.1977	0.17466	-0.16667	0.11239	24.5	2
201534873	P	6.351989	175.7843	1.06003	159.44	5677.5	119.52	4.4186	0.17287	0.03125	0.11052	-11.2	1.3
201615166	P	13.46406	179.5149	2.27812	18.56	3915.7	161.3	4.6512	0.24109	-0.29167	0.16999	-11.2	16.1
201485986	P	10.93952	166.947	0.31098	112.87	4968.6	121.96	4.7442	0.17699	0.22917	0.11475	11.3	3
201552159	P	9.321252	170.8018	1.32025	15.9	4451	167.34	4.7791	0.25095	-0.10417	0.17779	15.2	15.2
201601735	QP	2.508426	171.0279	2.06989	31.56	5359.6	164.67	3.525	0.23639	-0.71579	0.18475	-57.3	11.2
201887856	QP	14.86126	177.1549	7.07182	56.08	4616	153.47	3.425	0.21758	-0.32632	0.17056	14.9	4.9
201518925	QP	12.21157	174.1646	0.81352	66.66	5044.7	151.01	3.4	0.21347	-0.27368	0.16737	21.6	2.9
201766300	QP	18.97944	178.1661	4.76646	51.86	5063.8	154.71	3.3875	0.21965	-0.76842	0.17215	17.5	4.1
201829369	QP	4.907454	175.681	5.90635	181.04	5077.7	143.13	3.3625	0.20001	-0.34737	0.15637	-34.2	1.4
201467948	QP	3.261473	168.6556	0.04226	16.18	5406.4	184.69	3.35	0.27	-0.51579	0.20925	32.8	16

3 数据质量控制和评估

Ren等^[6]在2016年以Kepler天区的巨星和矮星为样本，对从LAMOST光谱中提取的有效温度（Teff）、表面重力加速度（log g）和金属丰度（[Fe/H]）三个大气参数与Huber等人给出的相应大气参数做了外部误差比较。Huber的数据集包括：高分辨率光谱数据、测光数据、星震学数据和凌星法恒星参数数据，考虑到数据的可靠性，最终这项工作选择了较为可靠的高分辨率光谱参数和星震学参数作为外部误差的定标数据，通过交叉匹配后确定出共同源。Teff和[Fe/H]数据集中来自于R～20000的高分辨率光谱恒星参数，表面重力加速度（log g）则采用了从高分辨率光谱和星震学方法计算分析得到的数据。接着利用LAMOST对Kepler天区多次的重复观测找到其中重复的观测源参数，利用无偏估计法对得到参数的统计误差做了估计，结合内部、外部数据的比较工作，最后根据巨星（log g＜3.5 dex）和矮星（log g＞3.5 dex）的区分标准得到了两个数据库之间三个恒星基本参数的关系，和误差的计算方法。

图片

其中等式（1）左边是校准后的恒星参数。等式（2）（3）和（4）中，a、b分别是两个数据库相应参数之间的关系系数。数据的误差来源主要是内部误差（${\sigma }_{in}$）和外部误差（${\sigma }_{ex}$），其中内部误差是g波段信噪比（S/Ng）的函数，内部误差计算关系式中的X是g波段信噪比取10为底的对数值。

4 数据价值及使用建议

K2的天区由多个子天区组成，其中C1天区的大小约为100平方度，位于北银冠区域。由于以前没有对该天区进行过巡天观测，大量位于此天区的恒星缺乏相应的基本信息，这给对C1天区的研究造成了阻碍^[7]。Armstrong等在2015～2016年间发布了K2天区的变星星表，但由于恒星大气参数的缺乏，使收集寻找相应恒星的大气参数工作量繁复庞大。虽然K2输入星表提供了大部分变星的恒星参数，但这些参数来自不同的探测系统，数据质量有较大差异，且K2星表中的恒星大气参数不够精确，不能满足相应科学研究。LAMOST提供的恒星参数可在最大程度上解决这个问题。此外，本星表采用了Ren等人2016年利用高分辨率光谱数据和星震学数据对LAMOST恒星参数的校准结果，表明LAMOST的恒星参数可靠性较高，其中矮星的大气参数相对于巨星更为可靠。

LAMOST在观测较为密集的星场时会出现观测源的偏差，此外较暗恒星会受到附近较亮恒星星光的污染，这将造成恒星参数的较大误差，对于这类数据的使用需要参照其他星表综合考虑是否采用。

参考文献

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3. LUO A L, ZHAO Y H, ZHAO G, et al. The first data release(DR1) of the LAMOST regular survey[J]. Research in Astronomy and Astrophysics, 2015, 15(8):1095.
4. ARMSTRONG D J, KIRK J, LAM K W F, et al. K2 Variable Catalogue: Variable Stars and Eclipsing Binaries in K2 Campaigns 1 and 0[J]. Astronomy & Astrophysics, 2015, 579(3): 6-19.
5. ARMSTRONG D J, KIRK J, LAM K W F, et al. K2 variable catalogue – II. Machine learning classification of variable stars and eclipsing binaries in K2 fields 0–4[J]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2015, 456(2): 2260-2272.
6. REN A, FU J, CAT P D, et al. LAMOST observations in the Kepler field. Analysis of the stellar parameters measured with the LASP based on the low-resolution spectra[J]. The Astrophysical Journal Supplement Series, 2016, 225(2): 17-28.
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数据引用格式

张汝媛, 付建宁. 355颗K2-C1天区变星校准的恒星参数[DB/OL]. Science Data Bank, 2018. (2018-05-09). DOI: 10.11922/sciencedb.584.