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基于机器学习方法和LAMOST数据测定大样本恒星质量和年龄

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基于机器学习方法和LAMOST数据测定大样本恒星质量和年龄

作者：李启达西华师范大学

学位级别：硕士

宇宙的基本结构单元-星系,它的形态、结构、性质、规律性、多样性以及集成历史的相关科学问题是目前天体物理学家面临的重要挑战。为了了解银河系的结构、演化以及动力学历史,需要对分布在银河系中的大量恒星样本进行准确的质量和年龄... 详细信息

宇宙的基本结构单元-星系,它的形态、结构、性质、规律性、多样性以及集成历史的相关科学问题是目前天体物理学家面临的重要挑战。为了了解银河系的结构、演化以及动力学历史,需要对分布在银河系中的大量恒星样本进行准确的质量和年龄估计。尽管目前的光谱巡天为大量恒星提供了位置、温度、化学丰度、质量与年龄等信息,但目前年龄等参数相关的精度、准度、系统误差以及不同方法的优劣势仍然缺乏系统深入的剖析,从而阻碍了我们对银河系中不同星族恒星形成历史的认识,所以我们仍然需要不同的方法去探索和测定大样本恒星的质量和年龄。为了解决上述问题,我们将LAMOST和Kepler的星震学数据进行交叉匹配,以同时获得具有恒星质量(年龄)以及恒星参数的高精度训练样本,并基于机器学习方法在这两者之间建立联系,对恒星参数已知的大样本恒星进行质量和年龄估计。通过仔细挑选,我们对948 216颗大样本恒星进行了质量预测,对163 105颗红团簇星进行了质量和年龄预测,其预测结果与前人的工作进行比较后发现具有较好的一致性,验证了我们方法的可靠性。我们的工作具体可分为两个部分:第一部分我们假设不知道哪些恒星参数与恒星年龄具有较高的相关性,因此采用了核主成分分析对所有的恒星参数进行了数据降维,并探究了核主成分分析所使用的主成分个数与模型预测性能的相关性。结果发现在当主成分个数达到4的时候模型的预测性能开始趋于稳定,测试集显示预测的弥散为0.72,绝对误差的中位值为0.25 Gyr,相对误差的中位值为8%,最后还将红团簇星年龄预测的结果与星震学可靠样本进行了对比,其精度可以达到19%。第二部分为了提高模型预测的效率,我们提取出了与恒星质量或年龄具有高度相关性的恒星参数,并只用这些高相关性的恒星参数对模型进行训练,然后对大样本恒星的质量以及红团簇星的质量和年龄进行了预测。测试集显示其预测的绝对误差中位值分别为0.05 M、0.05 M和0.21 Gyr,相对误差中位值分别为3%、4%和7%。而后我们将预测结果与高分辨率星震学的可靠样本比较,发现对于大样本,最后的质量精度可以达到13%;对于红团簇星,质量精度可以达到9%,年龄精度达到18%。最后,在本文中通过误差分析比较了多种机器学习方法如:包括多元线性回归、贝叶斯线性回归、梯度提升决策树回归、随机森林回归、多层感知器回归和支持向量回归,我们发现,非线性模型相较于线性模型更符合我们的预期,而其中以决策树作为基础的梯度提升决策树和随机森林算法的表现相对更为优异。

关键词：恒星参数恒星质量恒星年龄机器学习星震学

利用星系的经验性能谱分布模板估算星系恒星质量及恒星形成率的方法

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利用星系的经验性能谱分布模板估算星系恒星质量及恒星形成率的方...

作者：李翠环西藏大学

学位级别：硕士

在宇宙时间尺度上,恒星质量和恒星形成率是帮助了解重子物质在星系尺度上分布演化的重要依据。对于研究星系乃至整个宇宙,研究恒星质量和恒星形成率都是非常重要的。对于恒星质量和恒星形成率的估算,天文学家们从不同的角度提出了多种... 详细信息

在宇宙时间尺度上,恒星质量和恒星形成率是帮助了解重子物质在星系尺度上分布演化的重要依据。对于研究星系乃至整个宇宙,研究恒星质量和恒星形成率都是非常重要的。对于恒星质量和恒星形成率的估算,天文学家们从不同的角度提出了多种计算方法,例如利用多波段的测光数据来拟合星族成分,或用发射线预估提供电离气体所需紫外光的大质量恒星数量,进而估算恒星质量与形成率等。但是不同星系之间的物理性质极其复杂,因此在做相关估算时会引入复杂且简并的参量。本论文的主旨在于提出一个稳健且简单的方法来进行恒星质量以及恒星形成率的估算。本文中提出的是将经验性星系模板与机器学习相结合的方法。我们选择了3个Assef在2010年文章中提出的低红移、低分辨率的经验性光谱能量分布模板作为星系SED分解的参考。其中包括椭圆星系模板(代表着年老星族),漩涡星系模板(代表中年星族)和不规则星系模板(代表年轻星族)。上述模板集具有比以往使用的星系模版更长的从紫外波段到红外波段的波长范围覆盖(0.03至30)。考虑到正常星系的紫外波段的辐射主要是来自大质量恒星,而恒星形成率的估算,紫外光数据占据主导地位,光学和红外的测光数据对于恒星质量的估算相对重要。因此,巡天数据如能覆盖近/中红外波长则能够帮助我们获得更加可靠的SED拟合结果进而使得恒星质量和恒星形成率的估算更加精准。在本文中,针对斯隆数字巡天计划中具有光度和光谱认证的正常星系样本源,利用天文多波段巡天数据和Assef的经验星系光谱能量分布模板,将目标星系分解为三个年龄阶段的星族,从而得到它们的比例。我们认为星系中三个阶段性的星族(即年老星族,中年星族,年轻星族)可以代表目标星系的恒星演化。所以利用三种年龄星族的占比可以对恒星质量和恒星形成率进行预测。我们使用了较为高效且容易实践的XGBoost的机器学习算法,进行恒星质量以及恒星形成率的预测估算。XGBoost算法是基于树形结构的算法,无论是分类预测和回归预测都在计算效率和计算精准度上有着优异的表现。我们选择了5个特征作为机器学习算法的输入,其中包括:年老星族占比,中年星族占比,年轻星族占比,红移和总光度。利用这5个特征,我们可以分别进行对恒星质量和恒星形成率的预测估算。结果发现,我们的方法可以对恒星质量进行相当精准的预测,弥散仅为0.16dex。对于恒星形成率的预测,虽然预测结果与样本真值之间有强烈的线性相关性,但是弥散相较于恒星质量来说较大,其回归预测的决定系数仅为0.69,弥散为0.35dex。同时我们也进行了稳定性测试,在发生缺失数据的情况下,我们的方法并未受到显著的影响。在本论文的第四章,我们也探讨了恒星形成率离散度较大的原因。从机器学习的特征输入方面考虑,我们认为输入特征的不完备或缺失会造成预测结果产生偏差。但当我们加入更加年轻的成分或通过对模板进行消光来提高不规则星系的占比(即提高年轻星族的占比),机器学习的预测结果并未得到明显改善。这说明我们选择的Assef模板中已有足够的星系年轻成分的信息。而从恒星形成率的计算方面考虑,我们对比了常见的恒星形成率的计算方法之间的计算结果。结果发现,不同的计算方法之间偏差较大,这说明了目前对于恒星形成率的计算不确定性较大。我们认为这是造成机器学习预测弥散度较大的主要原因。同样我们也对比了常见不同的恒星质量计算方法的计算结果。对于恒星质量来说,不同方法的结果之间偏差不大,这也从侧面证明了我们方法结果的合理性。

关键词：星系恒星质量恒星形成率机器学习

CANDELS场中高红移宁静星系的半径——恒星质量关系

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科技风 2018年第33期 84-85页

作者：佟薇姜东飞沈阳师范大学物理科学与技术学院辽宁沈阳110034 沈阳市第十九中学辽宁沈阳110005

星系的大小(如半光半径)与其恒星质量紧密相关。已有研究表明:在红移z=0-3范围内,大质量宁静星系的半径-恒星质量关系随红移显著演化,且其半径随恒星质量增长显著增加。在本研究中,我们从CANDELS巡天的5个场中选取了一个红移z=0.5-1.5... 详细信息

星系的大小(如半光半径)与其恒星质量紧密相关。已有研究表明:在红移z=0-3范围内,大质量宁静星系的半径-恒星质量关系随红移显著演化,且其半径随恒星质量增长显著增加。在本研究中,我们从CANDELS巡天的5个场中选取了一个红移z=0.5-1.5的星系大样本。我们利用UVJ双色图和比恒星形成率-恒星质量关系,分别选取了宁静星系样本,对宁静星系的半径-恒星质量的关系重新进行了研究。我们的研究结果表明:大质量(M*>～2×10^(10)M_☉)宁静星系具有很陡的半径—恒星质量关系,而小质量(M*恒星质量关系。这些研究结果说明大质量宁静星系的大小随其恒星质量增长显著增加,而小质量的宁静星系大小随其恒星质量增长演化缓慢。

关键词：高红移宁静星系半光半径恒星质量

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恒星质量有上限

Newton-科学世界 2005年第6期 9-9页

由于宇宙中存在大量的碳、氧、硅和铁等元素，这些是与行星和生命有关的元素，它们是由大质量的恒星产生的。恒星的质量到底能达到多大？这个问题一直困扰着天文学家。

关键词：恒星质量上限天文学家元素宇宙行星

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恒星质量“种族隔离”理论得到证实

物理通报 2006年第11期27卷 21-21页

美国哈勃太空望远镜找到了迄今最有力的证据，证明星系中的球状星团是依照质量大小来选择恒星的，即质量较大的恒星逐步移向球状星团的核心部位，而质量较小的恒星则加速运动到球状星团的边缘．这一现象在学术上称为质量“种族隔离”，... 详细信息

美国哈勃太空望远镜找到了迄今最有力的证据，证明星系中的球状星团是依照质量大小来选择恒星的，即质量较大的恒星逐步移向球状星团的核心部位，而质量较小的恒星则加速运动到球状星团的边缘．这一现象在学术上称为质量“种族隔离”，过去科学家只是猜想它存在于宇宙中，却从来没有直接观测到。

关键词：恒星质量种族哈勃太空望远镜球状星团加速运动科学家星系移向

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英国发现迄今质量最大恒星

企业技术开发 2010年第8期29卷 92-92页

据美国每日科学网7月22日报道,英国谢菲尔德大学天文小组利用哈勃太空望远镜与超大望远镜（VLT）观测数据,发现了迄今为止质量最大的恒星。该恒星位于大麦哲伦星系蜘蛛星云内,诞生时质量超过太阳的320倍,而此前理论认为恒星质量的极值... 详细信息

据美国每日科学网7月22日报道,英国谢菲尔德大学天文小组利用哈勃太空望远镜与超大望远镜（VLT）观测数据,发现了迄今为止质量最大的恒星。该恒星位于大麦哲伦星系蜘蛛星云内,诞生时质量超过太阳的320倍,而此前理论认为恒星质量的极值是太阳的150倍。

关键词：恒星质量英国哈勃太空望远镜观测数据麦哲伦太阳星云星系

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英国发现迄今质量最大恒星

企业技术开发 2010年第15期 92-92页

据美国每日科学网7月22日报道,英国谢菲尔德大学天文小组利用哈勃太空望远镜与超大望远镜(VLT)观测数据,发现了迄今为止质量最大的恒星。该恒星位于大麦哲伦星系蜘蛛星云内,诞生时质量超过太阳的320倍,而此前理论认为恒星质量的极值是... 详细信息

据美国每日科学网7月22日报道,英国谢菲尔德大学天文小组利用哈勃太空望远镜与超大望远镜(VLT)观测数据,发现了迄今为止质量最大的恒星。该恒星位于大麦哲伦星系蜘蛛星云内,诞生时质量超过太阳的320倍,而此前理论认为恒星质量的极值是太阳的150倍。

关键词：恒星恒星质量哈勃太空望远镜超大小组太阳质量麦哲伦星系麦哲伦星云英国大不列颠及北爱尔兰联合王国

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恒星锂丰度研究进展

天文学进展 1999年第4期17卷 324-333页

作者：邱红梅邱红梅赵刚刘学富李宗伟中国科学院北京天文台北京100012 北京师范大学天文东北京100875

锂是少数几种在大爆炸中生成的元素之一，研究锂丰度对于探讨各种元素核合成理论以及星系的早期化学演化规律都具有十分重要的意义。阐述了近期有关恒星（类太阳星、晕族恒星和主序前星）及星团锂丰度的新近观测结果。介绍了在锂的核合... 详细信息

锂是少数几种在大爆炸中生成的元素之一，研究锂丰度对于探讨各种元素核合成理论以及星系的早期化学演化规律都具有十分重要的意义。阐述了近期有关恒星（类太阳星、晕族恒星和主序前星）及星团锂丰度的新近观测结果。介绍了在锂的核合成理论研究方面非局部热动平衡效应的影响及锂在恒星演化中的衰竭机制等理论的研究进展和存在的问题．盘族恒星相对年轻，拥有较高的锂丰度，但弥散很大；晕族恒星年老，锂丰度相对盘族恒星偏低，但弥散较小。晕星中锂丰度的Ｓｐｉｔｅ平台仍需进一步的验证。超新星爆发时中微子核合成和大质量ＡＧＢ星是恒星中产生锂的两种最可能的渠道。恒星质量损失、对流超射、微观扩散和自转等都能导致锂的衰竭，但无论哪一种机制都只能解释部分的观测现象。

关键词：恒星锂丰度锂衰竭恒星质量

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星系团Abell2255的恒星形成性质

南京师大学报（自然科学版） 2005年第4期28卷 46-49页

作者：赵丽芳袁启荣南京师范大学物理科学与技术学院江苏南京210097

研究了星系团Abell 2255中184颗成员星系的恒星形成性质.通过对这些星系的形态分类,发现星系光谱在4×10-7m处的跃变程度对区分星系类型非常有效.该星系团中星系的恒星形成活动和星系所处的环境有关,并且不同形态的星系随投影距离的变... 详细信息

研究了星系团Abell 2255中184颗成员星系的恒星形成性质.通过对这些星系的形态分类,发现星系光谱在4×10-7m处的跃变程度对区分星系类型非常有效.该星系团中星系的恒星形成活动和星系所处的环境有关,并且不同形态的星系随投影距离的变化趋势遵循不同的规律.此外还确认了团星系的金属丰度与恒星质量之间的相关性,并推断星系团Abell 2255是在单个星系形成后,经过引力相互作用而形成的,这一结果支持了等级成团理论.

关键词：星系团星系恒星形成率恒星质量金属丰度