LAMOST光譜J152238.11+333136.1 P-Cygni輪廓分析

屈彩霞，楊海峰，蔡江輝, 荀亞玲

太原科技大學計算機科學與技術學院，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(5年)已順利完成，成功獲取河外天體光譜數(shù)達150 000余條[1]。 目前利用LAMOST河外星系、類星體光譜數(shù)據(jù)進行的科學研究主要集中在兩個方面： (1) 與LAMOST科學任務一致的紅移測量、星系/類星體分類識別、星系對等方面的研究[2]。 比如Zhao等利用LAMOST完備小天區(qū)的星系光譜測量了星系的光度函數(shù)[3]； Wang等利用線指數(shù)對LAMOST河外星系光譜進行了分類，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，這些樣本侯選體對完善現(xiàn)有星系乃至宇宙學理論具有重要的科學意義。 比如Shi等針對LAMOST DR1星系光譜中存在的雙峰窄發(fā)射線結(jié)構光譜進行了系統(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、星系對等[6]。 從海量的巡天光譜中，發(fā)現(xiàn)并分析證認這些特殊性質(zhì)的目標天體，可以為相應的科學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)有的文獻及測光圖像，分析該目標區(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，通過采用相關子空間對已標記的雙峰數(shù)據(jù)集進行特征提取，并采用SVM獲得分類閾值，針對滿足該閾值的后5 000條光譜進行人眼證認，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)觀測獲得光譜[如圖1(a)所示]。 結(jié)合LAMOST觀測所得光譜的屬性，該目標光譜基本信息為： 分辨率R≈1 800； 波長范圍約為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)射線無位移，吸收線向藍端位移，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]等幾個發(fā)射線特征的波長段，其光譜質(zhì)量較高，且觀測日期是暗月夜，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當前低分辨率星系光譜上，可能導致出現(xiàn)P-Cygni形狀的原因有兩種。 一是真P-Cygni輪廓，反映著目標星系正經(jīng)歷著重要的活動； 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個角度對該星系呈現(xiàn)的特征進行分析。

2.1 SDSS同源觀測

美國Sloan巡天對該星系也進行了觀測，我們通過星表交叉，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，存在一個反P-Cygni輪廓，但是經(jīng)檢測，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特征相對應的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)量問題。 該星系由SDSS和LAMOST兩次觀測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”，實際兩次觀測目標的坐標差異比3″更小，但是考慮到光纖定位的精度問題，并且該目標是face-on的展源近鄰星系，因此，存在兩次觀測定位到星系不同位置的可能；

(3)觀測時間，SDSS和LAMOST觀測時間分別是： 2004.04.23，2015.04.21，二者相隔11年，因此，目標星系有可能出現(xiàn)導致光譜呈現(xiàn)P-Cygni輪廓的噴流flow活動。

圖2 LAMOST J152238.11+333136.1光譜與超級天光

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輪廓的像素點較少，減天光數(shù)據(jù)處理過程也可能導致目標光譜上呈現(xiàn)類似形狀。

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

我們對鄰近光纖的光譜情況進行了檢查，如圖3所示。 可以看出，鄰近光纖的光譜在對應的位置未發(fā)現(xiàn)疑似P-Cygni的形狀，從側(cè)面驗證了該天區(qū)的超級天光構造質(zhì)量。

2.3 目標星系類型

對于該目標，通過交叉SIMBAD以及查閱相關文獻，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，通過計算線強比[NⅡ]/Hα，[OⅢ]/Hβ，LAMOST和SDSS觀測的目標光譜在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) 該目標由IRAS，WISE近紅外觀測，給出的類型是Seyfert 2型星系[12]； 其類型與利用光學光譜測量的類型不一致，我們推測可能是合理的，具體分析見小節(jié)2.4。

(3)在文獻[13-14]中，將該目標歸類為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形式損失掉而暴露出來的星核。 Wolf-Rayet星是恒星特征，因此文獻[14]中認為只是觀測到了星系的部分區(qū)域。

圖4 目標星系的BPT分類

2.4 物理機制分析

若排除掉數(shù)據(jù)處理因素，導致低分辨光譜中呈現(xiàn)P-Cygni輪廓的主要原因是目標天體正在經(jīng)歷的活動。 對于恒星光譜中出現(xiàn)該特征的主要物理機制是該恒星殼層出現(xiàn)的星風，導致光譜吸收線部分出現(xiàn)了偏移； 而對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)導致吸收線部分出現(xiàn)藍移或紅移。

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

(1)由星系并合過程引發(fā)的外流所致。 我們推測這種可能是比較大的，文獻[12]在超亮近紅外星系星表中，記載著該目標經(jīng)歷著并合活動； 圖5顯示了SDSS和2MASS的測光圖像，從光學圖像(a)和近紅外圖像(b)差異上，可以推測可能存在兩個疊加的源，而光學圖像的右邊可能存在一個不太明顯的輪廓。 這也可以解釋前文光學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[15]記載著該源的恒星形成活動引發(fā)的外流情況，這與光學光譜給出的STARFORMING/STARBURST類型結(jié)論一致，因此不能排除這個可能。

(3)Wolf-Rayet星的超星風所致。 雖然文獻[14]的Wolf-Rayet星系星表中有記載，但是在光學光譜中未發(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等波長處呈現(xiàn)稀有的P-Cygni輪廓，反映了該觀測目標及觀測時刻呈現(xiàn)出的較稀有的現(xiàn)象。 由于星系自身活動的相關特征、觀測技術手段限制、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，說明了光譜LAMOST J152238.11+333136.1的稀有程度。 從SDSS同源觀測、超級天光殘差、星系子類型差異、物理機制等角度，通過分析現(xiàn)有文獻、測量特征線強度比、結(jié)合圖像特征，對該P-Cygni輪廓的真實性、背后的物理性質(zhì)等進行了詳細討論。