利用LAMOST數據校準K2-C1天區變星的恆星參數

利用LAMOST數據校準K2-C1天區變星的恆星參數
作者：張汝媛　付建寧
2018年5月9日

本作品收錄於《中國科學數據》

張汝媛, 付建寧. 利用LAMOST數據校準K2-C1天區變星的恆星參數[J/OL]. 中國科學數據, 2018. (2018-05-09). DOI: 10.11922/csdata.2018.0012.zh.

摘要&關鍵詞

摘要：LAMOST是位於中國科學院國家天文台興隆觀測站的大視場多目標光譜望遠鏡，目前擁有世界上最大的低分辨率光譜數據庫，其地理位置決定了它可觀測到赤緯Dec -10度以上的天區，LAMOST為眾多空間項目提供了地面支持，其中包括對K2-C1（Ra:11:35:46，Dec: 01:25:02）天區脈動變星和食雙星的觀測。本數據利用LAMOST第三次釋放的恆星參數對K2-C1天區355顆有周期變化的脈動變星和食雙星的基本恆星參數進行校準，校準後的巨星和矮星有效溫度誤差分別約為131 K和104 K，表面重力加速度誤差分別約為0.19 dex和0.16 dex，金屬豐度誤差分別為0.15 dex和0.10 dex，此數據精度將對K2-C1天區變星的研究有推動作用。

關鍵詞：LAMOST；K2-C；變星；恆星參數

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

數據庫（集）基本信息簡介

數據庫（集）名稱	355顆K2-C1天區變星校準的恆星參數
數據作者	張汝媛，付建寧
數據通信作者	張汝媛（201521160015@mail.bnu.edu .cn）
數據時間範圍	2011～2015年
空間分布	Ra:11:35:46，Dec: 01:25:02
分辨率	R~1800
數據量	50 KB
數據格式	*.txt
數據服務系統網址	http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/584
基金項目	脈動白矮星的搜尋和精確星震學研究，國家自然科學基金面上項目，11673003；銀盤結構、星族及其化學和動力學研究，科技部973項目子課題，2014CB845700。
數據庫（集）組成	該數據庫主要包括355顆K2-C1天區有確定周期的脈動變星和食雙星的周期信息，及校準過的恆星大氣參數，包括Teff ，log g，[Fe/H]，Vr，這些參數主要來自2011-2015年LAMOST釋放的恆星基本參數數據。

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觀測的高精度測光數據為尋找系外行星和對恆星進行星震學研究提供了得天獨厚的條件。該項目的觀測天區由20個分布在黃道面的子天區組成，其觀測目標布於銀河系自南到北的區域中，觀測源的種類廣泛，年齡跨度大。其中，脈動變星和食雙星的數量在K2的目標源中占了巨大的比例。K2每年可獲得約40 000顆恆星的測光數據，包括30分鐘的長曝光測光數據和1分鐘短曝光觀測數據^[1]。充分利用這些數據將對恆星的演化研究和銀河系各部分的研究起推動作用。

通過對脈動變星的研究可以了解疏散星團的演化和結構，同時它還是探測恆星內部結構，驗證恆星演化理論的有效工具。此外，脈動恆星的絕對光度、密度以及年齡等參數與脈動周期有關，利用精確的恆星參數對其進行研究，對測量恆星的距離也有重要意義。

1 數據採集和處理方法

1.1 數據採集方法

本數據集由我國自行設計和建造的大口徑多目標大視場光纖光譜望遠鏡LAMOST（Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy）觀測。它是一架新型大視場、兼大口徑施密特主動光學望遠鏡，又稱郭守敬望遠鏡。該望遠鏡位於中國科學院國家天文台興隆觀測站（東經7小時50分，北緯40度23分），海拔為960米，其主鏡有效口徑約為4米，視場為20平方度，第一期巡天項目光譜分辨率為R=1800，一次曝光可同時獲取4000個目標的光譜。它是具有高效光譜採集率的望遠鏡，是目前光譜獲取率最高的儀器。

自2011年LAMOST正式巡天啟動以來，它已擁有世界上最大的低分辨率光譜數據庫，並且為多個巡天項目提供了地面支持。對於不同亮度的星，LAMOST的觀測優先度不同。觀測源按觀測優先順序被分為三等，分別是亮星（Kp≤10.5），中等亮度的星（10.5＜Kp≤15.5）和暗星（Kp＞15.5）。由於LAMOST光纖分布的結構特殊，觀測中每個plate（LAMOST 每曝光一次觀測的天區範圍）會根據觀測源的亮度不同被分為4個種類，分別是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)，通過分類觀測可較好地根據目標源的亮度和天氣情況調整曝光時間，防止由於觀測源亮度差異過大造成觀測數據飽和或者曝光時間不足等現象^[2]。

1.2. 數據處理

LAMOST觀測的恆星參數由專門的自動處理軟件來進行處理，第三次釋放的LAMOST數據由LASP（LAMOST stellar parameter Pipeline）v2.7.5處理軟件分析釋放，該軟件專門用於對LAMOST的光譜數據進行處理及相應恆星參數分析。光譜的預處理程序包括兩步：2D和1D。其中2D的主要目的是抽取CCD圖片中的原始數據，包括對觀測圖像扣除本底暗流、平場改正、光譜抽取、減天光背景、波長定標、合併多個波段光譜數據等過程。完成2D處理的光譜數據將會被用於下一步的處理中。1D過程的主要目的是對光譜類型進行分類，並從中測出視向速度Vr，得到觀測目標的紅移量。到此，LAMOST光譜已完成預處理過程。

經過以上處理後的光譜將會通過LAMOST自動光譜分析系統，得到恆星基本參數。LAMOST所使用的恆星參數分析系統為LASP系統。該系統採用了兩種分析方法，CFI（Correlation Function Interpolation）和UlySS（Universite de Lyon Spectroscopic analysis Software）。CFI系統將分析出初始恆星參數，由特殊的算法找到與觀測譜符合最好的人工合成譜，分別得到有效溫度（Teff）、表面重力加速度（log g）、金屬豐度（[Fe/H]），這些參數將作為UlySS系統的初始值進行下一步分析。UlySS系統是里昂大學發展的一套光譜自動分析方法，主要通過計算模型和觀測譜之間的最小卡方誤差來確定符合最好的兩條光譜。在這一過程中，要求模型和觀測譜之間的分辨率和採樣率完全相同。經過這些步驟後將確定出最終的四個恆星參數。LASP系統對於光譜型為A、F、G、K星的恆星參數估計最為可靠。在此分析過程中第一步是對原始光譜數據進行處理，粗略估計恆星參數，第二步中使用歸一化光譜，分析得到最終的恆星參數^[3]。

2 數據樣本描述

本數據的目標源是分布於K2-C1天區的脈動變星和食雙星。這些脈動變星以及食雙星來自2015年和2016年Armstrong等人^[4][5]通過K2高精度的測光數據證認的變星星表，其中包括154顆天琴座RR變星，377顆盾牌座δ變星，133顆劍魚座γ變星，183顆相接雙星和290顆半相接雙星，以及其他無穩定周期的變星。最終通過K2輸入星表的ID值確定與LAMOST的共同源，為保證數據集中樣本的準確性，此數據表中去除了無穩定周期變化的候選源，確認了355顆位於K2-C1天區有明顯周期變化的恆星。數據以表格形式釋放，表1對每一列數據的情況進行說明，部分星表參數見表2。

表1 數據表頭信息說明

參數名稱	說明	備註	參數名稱	說明	備註
EPIC	觀測源在K2輸入星表中的ID號	ID號的命名規則詳見Huber[6]	Teff_err	恆星有效溫度誤差	單位為K
Type	觀測源周期類型	EB（食雙星）、P（周期變星）、QP（准周期變星）	log g	校準後的恆星表面重力加速度	單位為dex
Per	周期值	單位為天	log g_err	恆星表面重力加速度誤差	單位為dex
RA	目標源的赤經坐標（J2000）		[Fe/H]	校準後的恆星金屬豐度	單位為dex
DEC	目標源的赤緯坐標(J2000)		[Fe/H]_err	恆星金屬豐度的誤差	單位為dex
S/Ng	LAMOST光譜在g波段的信噪比	可以由此判斷光譜的質量從而估計恆星參數的誤差	Vr	恆星視向速度	單位km/s
Teff	校準後的恆星有效溫度	單位為K	Vr_err	恆星視向速度誤差	單位為km/s

表2 校準後的K2-C1天區變星恆星參數

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 數據質量控制和評估

Ren等^[6]在2016年以Kepler天區的巨星和矮星為樣本，對從LAMOST光譜中提取的有效溫度（Teff）、表面重力加速度（log g）和金屬豐度（[Fe/H]）三個大氣參數與Huber等人給出的相應大氣參數做了外部誤差比較。Huber的數據集包括：高分辨率光譜數據、測光數據、星震學數據和凌星法恆星參數數據，考慮到數據的可靠性，最終這項工作選擇了較為可靠的高分辨率光譜參數和星震學參數作為外部誤差的定標數據，通過交叉匹配後確定出共同源。Teff和[Fe/H]數據集中來自於R～20000的高分辨率光譜恆星參數，表面重力加速度（log g）則採用了從高分辨率光譜和星震學方法計算分析得到的數據。接着利用LAMOST對Kepler天區多次的重複觀測找到其中重複的觀測源參數，利用無偏估計法對得到參數的統計誤差做了估計，結合內部、外部數據的比較工作，最後根據巨星（log g＜3.5 dex）和矮星（log g＞3.5 dex）的區分標準得到了兩個數據庫之間三個恆星基本參數的關係，和誤差的計算方法。

圖片

其中等式（1）左邊是校準後的恆星參數。等式（2）（3）和（4）中，a、b分別是兩個數據庫相應參數之間的關係係數。數據的誤差來源主要是內部誤差（${\sigma }_{in}$）和外部誤差（${\sigma }_{ex}$），其中內部誤差是g波段信噪比（S/Ng）的函數，內部誤差計算關係式中的X是g波段信噪比取10為底的對數值。

4 數據價值及使用建議

K2的天區由多個子天區組成，其中C1天區的大小約為100平方度，位於北銀冠區域。由於以前沒有對該天區進行過巡天觀測，大量位於此天區的恆星缺乏相應的基本信息，這給對C1天區的研究造成了阻礙^[7]。Armstrong等在2015～2016年間發布了K2天區的變星星表，但由於恆星大氣參數的缺乏，使收集尋找相應恆星的大氣參數工作量繁複龐大。雖然K2輸入星表提供了大部分變星的恆星參數，但這些參數來自不同的探測系統，數據質量有較大差異，且K2星表中的恆星大氣參數不夠精確，不能滿足相應科學研究。LAMOST提供的恆星參數可在最大程度上解決這個問題。此外，本星表採用了Ren等人2016年利用高分辨率光譜數據和星震學數據對LAMOST恆星參數的校準結果，表明LAMOST的恆星參數可靠性較高，其中矮星的大氣參數相對於巨星更為可靠。

LAMOST在觀測較為密集的星場時會出現觀測源的偏差，此外較暗恆星會受到附近較亮恆星星光的污染，這將造成恆星參數的較大誤差，對於這類數據的使用需要參照其他星表綜合考慮是否採用。

參考文獻

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數據引用格式

張汝媛, 付建寧. 355顆K2-C1天區變星校準的恆星參數[DB/OL]. Science Data Bank, 2018. (2018-05-09). DOI: 10.11922/sciencedb.584.