涂　洋，張彥霞，趙永恒，田?？?，袁海龍

(1. 三峽大學，湖北 宜昌　443002；2. 中國科學院光學天文重點實驗室 (國家天文臺)，北京　100012)

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光譜分析軟件在天文學研究中的應用

涂洋1,2，張彥霞2，趙永恒2，田海俊1，袁海龍2

(1. 三峽大學，湖北 宜昌443002；2. 中國科學院光學天文重點實驗室 (國家天文臺)，北京100012)

摘要：隨著大規(guī)模光譜巡天項目的規(guī)劃、實施和運行，從龐大數(shù)量的天體光譜中自動分析、高效挖掘和快速提取信息，獲取天體的有效物理參量，是天文學者關注的焦點和當代天文研究的重要課題。大部分天文學研究工作基于光譜分析開展，各種迅速發(fā)展的光譜分析工具的便捷性和易用性對于探究天文光譜的特征具有重要的促進意義。針對國內外目前已經完成、正在運行和即將開展的大型光譜巡天項目，描述了一些巡天項目并指出了運用光譜分析工具的重要意義。以7種常用光譜分析軟件VOSpec、VOSED、SpecView、Iris、SPLAT、CASSIS、ASERA為例，介紹了光譜分析軟件的基本特點和主要功能，同時比較了這些軟件應用環(huán)境的異同，為天文學家選擇和運用光譜分析工具提供一定的指導和參考。

關鍵詞：光譜分析軟件；天體物理學；光譜巡天；光譜能量分布

天體的信息由天體輻射傳遞。天體光譜是通過望遠鏡焦面上放置的光譜儀采集天體的電磁輻射按波長(或頻率)大小而依次排列的圖案。利用天體光譜所含的信息，將光譜學的原理和方法用于天體光譜，以確定天體的物理性質和化學組成。天體光譜分析包括定性分析和定量分析兩種。定性分析主要為譜線認證，比較光譜中已知波長的譜線位置與天體光譜中譜線的位置，從而確定天體光譜中譜線的波長，認證天體譜線的化學元素。定量分析包括測量天體的連續(xù)光譜和譜線。前者是指測量天體的連續(xù)光譜在各個波長處的強度，獲得連續(xù)能量分布；后者是指測量譜線內各波長處的強度，從而得到譜線的等值寬度或譜線輪廓。通過這些參量的測量可以推斷天體的物理參數(shù)，如天體的溫度、壓力、密度、磁場和運動速度等。

21世紀以來，隨著空間探測技術的提高和天文學的探索發(fā)現(xiàn)，天文觀測進一步從可見光、射電波段擴展到包括紅外、紫外、X射線和γ射線在內的電磁波各個波段，形成了全波段天文光譜學[1]，并為探索各類天體和天文現(xiàn)象的物理本質提供了強有力的觀測手段。天文學的發(fā)展進入 “多波段、大樣本、高信息量” 時期，國際上近十多年來開展了一系列天體光譜巡天項目[2]。

1大型光譜巡天項目

1.1國內外光譜巡天項目

(1)2度視場星系紅移巡天項目(2-degree Field Galaxy Redshift Survey, 2dF)是從1997年至2002年間使用3.9 m英澳天文臺(Anglo-Australian Observatory, AAO)望遠鏡進行紅移巡天觀測，共獲取245 591個對象的光譜，包括232 155個星系(221 414個有良好的質量)，12 311個恒星，以及125個類星體。

(2)斯隆數(shù)字化巡天項目(the Sloan Digital Sky Survey， SDSS)使用位于新墨西哥州的2.5 m望遠鏡進行的紅移巡天項目。截止三期SDSS-III發(fā)布的第12批數(shù)據(DR12)，有效光譜數(shù)42 664 444條，其中星系2 401 952條，類星體477 161條，恒星851 968條，以及200 490條未知光譜。

(3)大天區(qū)面積多目標光纖光譜天文望遠鏡(The Large Sky Area Multi-object Fiber Spectroscopic Telescope, LAMOST，又稱郭守敬望遠鏡)是我國于2009建設完成的一架新型大視場兼?zhèn)浯罂趶酵h鏡，截止2015年3月，郭守敬望遠鏡發(fā)布的DR2數(shù)據總共4 136 482條光譜，信噪比大于10的光譜條數(shù)達3 275 942，其中恒星光譜數(shù)3 784 461條，并且2 207 788條提供了恒星參數(shù)，成為目前世界上最大的恒星參數(shù)表。

1.2未來光譜巡天項目

天文學家已在擬定下一代大型光譜巡天計劃，研發(fā)巨型望遠鏡。如美國的大口徑綜合巡天望遠鏡(Large Synoptic Survey Telescope, LSST)主要用于探測暗能量和暗物質，尋找太陽系中的小天體，偵測新星、超新星和觀測銀河系。寬視場紅外巡天望遠鏡(Wide Field Infrared Survey Telescope, WFIRST)主要用于探測暗能量、系外行星、紅外巡天。歐洲空間局擬于2018年發(fā)射的歐幾里德計劃(Euclid)主要觀測近紅外波段，也觀測光學波段，該計劃的主要目標是研究宇宙中暗物質的大尺度分布結構，并確認暗能量的性質。

綜上所述，隨著大型巡天項目的開展，光譜數(shù)據還在持續(xù)不斷地增長，很顯然單靠手工處理和分析光譜已經無能為力，必須開發(fā)自動化的光譜分析軟件。 “工欲善其事，必先利其器”，只有借助很好的光譜分析工具，天文學家才能便捷地對光譜進行分析和研究，從而提高工作效率和科學產出。

2軟件簡介

通常一款好的光譜分析軟件能夠查詢國內外不同光譜巡天項目、不同數(shù)據類型的光譜數(shù)據；也可以單個或批量可視化和分析光譜、研究光譜能量分布等，這對于研究光譜所含的潛在天體物理信息具有十分重要的意義?；诓煌h鏡和不同天文研究目標所產生的光譜不盡相同，天文學家對光譜處理需求的差異，需要開發(fā)不同功能的光譜分析軟件。在各種學科相互滲透的今天，得益于計算機專家的加盟，許多天文領域的研究團隊不斷開發(fā)新的光譜分析軟件，如國際虛擬天文臺聯(lián)盟[3](International Virtual Observatory Alliance, IVOA)開發(fā)的TOPCAT、CASSIS、VOSED、SPLAT等。目前較為成熟和廣泛應用的光譜分析軟件按功能用途簡單分類：(1)光譜查詢：Aladin、CASSIS、Datascope、SPLAT、SpecView、VOServices、VOSpec、Data Discovery Tool、VirGO；(2)光譜可視化與分析：CASSIS、SPLAT、SpecView、VOServices、VOSpec、Gaia；(3)光譜能量分布(Spectral Energy Distributions, SED)合成：VOSA、VOSED、VOSpec、Iris、GOSSIP。在這里著重介紹7種典型的、常用的光譜分析軟件，為天文學家挑選光譜分析軟件提供參考。

2.1VOSpec軟件

VOSpec[4]是由歐洲空間局虛擬天文臺研發(fā)團隊開發(fā)的一款多波段光譜分析工具，目前最新版本為VOSpec 6.6。該軟件利用簡單光譜訪問協(xié)議(Single Spectral Access Protocol, SSAP)，具有強大的數(shù)據組織功能，使用戶可以非常方便地通過天體名稱或者坐標(RA，DEC)從世界各地的光譜庫中檢索已有的光譜觀測數(shù)據、理論模型數(shù)據和譜線等類型數(shù)據，并且提供了多種顯示模式(樹狀、 表狀)。VOSpec標準功能可以分為兩類：一類為光譜分析，光譜分析界面如圖1，功能包括譜線和連續(xù)譜擬合，紅移和紅化校正，光譜之間的運算和卷積，等值寬度和流量的計算；另一類為擬合光譜能量分布，功能是實現(xiàn)光譜能量分布的最優(yōu)化擬合，光譜能量分布擬合界面如圖2。VOSpec為用戶提供了穩(wěn)定可靠的光譜處理功能，并能方便地整合來自不同數(shù)據提供者、波段和元數(shù)據(例如物理單位)的光譜。VOSpec支持國際虛擬天文臺聯(lián)盟的簡單應用程序消息傳遞協(xié)議(Simple Application Messaging Protocol, SAMP)，可以方便快捷地與其它虛擬天文臺應用程序進行協(xié)同工作。

2.2VOSED軟件

VOSED[5]是由西班牙虛擬天文臺開發(fā)用于合成光譜能量分布的在線工具，目前版本為VOSED 2.0。該工具可以通過簡單光譜訪問協(xié)議在線查詢虛擬天文臺光譜查詢服務上的光譜信息，并使用貝葉斯方法合成光譜能量分布。光譜數(shù)據來自一些天文光譜數(shù)據庫或者用戶提供的數(shù)據，數(shù)據格式可以是FITS、VOTable、ASCII格式。VOSED有兩種工作模式：(1)單目標模式：在用戶輸入目標名稱或者其他屬性后，VOSED通過查詢SIMBAD數(shù)據庫(法國斯特拉斯堡天文臺數(shù)據資料中心負責和維護的一個天文數(shù)據庫)顯示該目標的基本信息，如坐標、類型；(2)多目標模式：在多目標模式里，用戶可以監(jiān)控查詢狀態(tài)。查詢一旦完成，就會創(chuàng)建一個包含光譜能量分布的VOTable格式的壓縮文件。合成的光譜能量分布也可上傳到其他虛擬天文臺工具(比如VOSpec)進行進一步的可視化和分析。VOSED的查詢界面和查詢結果顯示界面分別如圖3、4。

Fig.4VOSED display interface for query

result of single target

2.3SpecView軟件

SpecView[6]是空間望遠鏡科學研究所(Space Telescope Science Institute)開發(fā)用于分析1-D天文光譜的可視化和分析工具，目前版本為SpecView 2.17.6。該軟件能夠讀取所有哈勃空間望遠鏡的數(shù)據格式，并且能夠讀取其他一些科學設備的光譜，如IUE、FUSE、ISO、FORS、SDSS、MAST(The Mikulski Archive for Space Telescopes，是由NASA資助的項目用于支持和提供世界天文界的各種數(shù)據集)等，以及通用的FITS和ASCII數(shù)據格式的光譜數(shù)據。另外，也可以通過虛擬天文臺服務查詢并讀取數(shù)據。該軟件查詢界面如圖5。SpecView界面簡單、易用、友好。用戶僅通過幾個鼠標動作就可以便捷地完成光譜分析任務。SpecView的可視化功能包括：數(shù)據質量控制、光譜單位轉換、可視化參數(shù)自定義、繪圖注釋、平鋪繪圖、Boxcar和高斯函數(shù)平滑處理、光譜的特征提取和顯示等。光譜的處理結果可以保存為VOTable和FITS格式的文件。SpecView主界面如圖6。

SpecView主要用于創(chuàng)建寬波段光譜能量分布，可以疊加或合并來自不同設備或不同波段的天文光譜數(shù)據，也可以疊加來自不同譜線庫或用戶提供的譜線列表的譜線標注。SpecView具有光譜擬合的功能，提供了多個理論模型供用戶挑選，該模型也可以由用戶提供。

2.4Iris軟件

Iris[7]初始由美國虛擬天文臺開發(fā)(2011-2014)用于創(chuàng)建、分析寬波段光譜能量分布的圖形化界面應用軟件。后由錢德拉X射線天文臺繼續(xù)開發(fā)和維護，目前版本為Iris 2.0。Iris支持常規(guī)光譜能量分布數(shù)據格式包括VOTable、FITS以及NASA的河外數(shù)據格式。非常規(guī)數(shù)據格式可以借助該工具提供的數(shù)據轉換模塊轉化為常規(guī)格式從而成功讀取。Iris可以讀取來自多個單獨的數(shù)據源或測光數(shù)據的光譜能量分布，這些數(shù)據源和測光數(shù)據可以來自不同天文觀測儀器，然后通過發(fā)射/吸收光譜模型來擬合光譜能量分布。Iris主要有4大特點：

(1)NED數(shù)據導入：通過Iris SED分析工具可以查詢到已在虛擬天文臺注冊的美國國家航空航天局/紅外處理及分析中心河外星系數(shù)據庫(NASA/IPAC Extra-galactic Database, NED)。Iris NED查詢界面如圖7。

(2)數(shù)據可視化和自定義：Iris的用戶界面類似于SpecView的可視化和分析界面，設置了幾個SpecView提供的數(shù)據顯示首選項。Iris的光譜能量分布可視化界面如圖8。類似SpecView，Iris也可以通過疊加或者合并來自多個波段不同設備的數(shù)據構建一個寬帶光譜能量分布。

(3)光譜模型擬合光譜能量分布：Iris允許魯棒性地建模，然后通過Sherpa得到光譜能量分布的擬合數(shù)據。Sherpa是基于python語言為天文學家提供的多波段建模和擬合的可擴展應用。

(4)非常規(guī)數(shù)據格式轉換工具：Iris的主要功能之一是創(chuàng)建多波段光譜能量分布。用戶在創(chuàng)建光譜能量分布時，可能輸入多組不同文件格式的光譜能量分布數(shù)據。為了解決這個問題，Iris的SED Builder工具將轉化用戶的非常規(guī)光譜能量分布數(shù)據文件格式轉換為Iris支持的兩種常規(guī)格式文件(VOTable或FITS格式)?？杀晦D化的文件格式包括：ASCII、CSV、FITS(標準或者非標準的)、VOTable(標準或者非標準的)、IPAC(一種簡單易讀用于保存ASCII表和擴展信息的表格格式)、TST(the standard Tab Separated Table format，即制表符分隔的表格格式)。

另外，用戶還可以通過Iris的光譜能量分布分析和操作工具包里的3種方式創(chuàng)建光譜能量分布：(1)紅移法：給定紅移值即可創(chuàng)建紅移化的光譜能量分布；(2)插值法：給定內插算法并指定一些相關參數(shù)，包括光譜波段、是否標準化、是否用Boxcar進行平滑處理等，即可創(chuàng)建光譜能量分布；(3)集成法：通過內嵌的測光數(shù)據庫搜索到一定數(shù)量(大于2000)的測光數(shù)據點，然后合成新的光譜能量分布。

2.5SPLAT軟件

SPLAT[8]是一個專門用于光譜分析的圖形化工具，目前版本為SPLAT 3.11-1，能夠顯示、比較、修改和分析天文光譜數(shù)據，并保存為NDF(數(shù)據庫輔助數(shù)據文件擴展名)、FITS、TEXT文件格式。SPLAT是STARJAVA集(JAVA application for StarLink project)的一部分，主界面是由SPLAT的原創(chuàng)開發(fā)者Peter Draper研發(fā)。SPLAT現(xiàn)由德國天體物理虛擬天文臺團隊(German Astrophysical Virtual Observatory, GAVO)與捷克共和國科學院的天文研究所共同開發(fā)。

SPLAT對部分功能進行了擴展，使其可以與虛擬天文臺的其他工具和服務互通互聯(lián)。這些功能分成兩部分：一個是用于查詢和下載光譜的簡單光譜訪問協(xié)議，該功能由Peter W. Draper和Margarida Castro Neves開發(fā)；另外一個是在桌面上使用的簡單應用程序消息傳遞協(xié)議，由Mark Taylor開發(fā)，能夠與其他虛擬天文臺工具進行交互，例如TOPCAT。

SPLAT能夠同時讀取多個光譜，并逐個或者多個顯示，SPLAT光譜可視化界面如圖9?？梢越换サ乜s放和滾動顯示窗口，或者特定波長的局部顯示。SPLAT當前的分析功能包括對選定的光譜發(fā)射和吸收線進行多項式擬合、高斯擬合、洛倫茲擬合以及沃伊特(Voigt)擬合。使用平均數(shù)、中位數(shù)、線性窗函數(shù)和小波降噪等對光譜進行濾波。

圖9SPLAT的光譜可視化界面

Fig.9SPLAT spectral display interface

SPLAT通過使用Starlink的AST庫的最新功能，全方位支持協(xié)同平臺的光譜。支持坐標顯示，可使不同系統(tǒng)的坐標保持一致(波長、頻率、能量、速度)，也能夠在這些系統(tǒng)(以地面為基點、動力學、運動學等)之間進行轉換。

2.6CASSIS軟件

CASSIS[9]軟件由法國空間天體物理學實驗室(Centre d′Etude Spatiale des Rayonnements, CESR)/法國天體物理學和行星學研究所(L′Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie, IRAP)于2005年開發(fā)的一款交互式光譜分析軟件，目前最新版本為CASSIS 3.8。CASSIS與其他虛擬天文臺工具一樣，通過簡單光譜訪問協(xié)議讓用戶應用國際虛擬天文臺聯(lián)盟服務查詢光譜，這些光譜可以來自Hubble、Corot、spatalogue、ISO等。CASSIS查詢界面如圖10。另外，也可以通過簡單應用程序消息傳遞協(xié)議使數(shù)據在不同的天文軟件間傳遞和交互操作。CASSIS主要有4大特點：

(1) 譜線認證：一方面通過查詢本地數(shù)據庫輸入譜線，另一方面通過內部模型(目前有CDMS+JPL+NIST和一些其他的模型，在持續(xù)更新中)，通過這些模型對輸入的譜線進行認證。

(2)構造任何望遠鏡的理論光譜：可以使用本地光譜數(shù)據庫和內部模型的信息。目前使用局部熱動平衡(Local Thermodynamic Equilibrium, LTE)模型和RADEX代碼。該模型需要提供一些模板信息，這些信息可以導入CASSIS數(shù)據庫。望遠鏡的信息可以為ASCII文件(即將更為XML數(shù)據格式)，以便任何望遠鏡參數(shù)都可以很容易地添加或修改。

(3)比較望遠鏡數(shù)據和各種模型光譜數(shù)據：這些模型為(2)所提到的，由用戶指定光譜分辨率，然后通過模型構建模擬光譜，與觀測光譜進行比較。

(4)估計光譜物理參量：CASSIS具有調節(jié)圖像的工具，擬合完整的譜線并保存為文件，可以估算柱密度和激發(fā)溫度，最優(yōu)化擬合算法還在研究中。CASSIS光譜可視化界面如圖11。

2.7ASERA軟件

ASERA[10](A Spectrum Eye Recognition Assistant)是由中國科學院國家天文臺基于JAVA開發(fā)的簡單交互式光譜識別軟件，最新版本為ASERA 2.0。用于幫助用戶識別類星體光譜和紅移測量。ASERA不僅限于類星體光譜的識別，還包括其他類型的光譜，如恒星、星系和活動星系核?？梢暬^測光譜、添加光譜模板數(shù)據、交互式訪問相關譜線信息。該工具包有兩種模式：JAVA獨立應用程序和基于Web運行程序。ASERA功能包含：波長和流量范圍的設置、可視化自定義、紅移估計、譜線識別。借助ASERA工具，用戶可以輕松地識別光譜和估測紅移，從而提高光譜分類的準確性，尤其對低質量光譜的識別。

ASERA的特點：輸入文件可以是郭守敬望遠鏡和SDSS望遠鏡的FITS文件、TXT文本文件、圖像文件；譜線能夠隨鼠標而動，同時紅移值自動給出；自定義可視化；有多種SDSS光譜模板可供選擇，或者用戶加載自己提供的模板；批處理程序，可以同時處理多個光譜；光譜平滑；譜線的高斯擬合。ASERA主界面如圖12。

圖12ASERA主界面

Fig.12ASERA main interface

為了更好地比較不同軟件之間的異同，對上述7種光譜分析軟件進行了綜合比較，如表1。

續(xù)表

3總結與展望

通過對常用的7種光譜分析軟件的介紹、分析和對比可知：VOSpec、VOSED、SpecView、Iris、SPLAT、CASSIS都支持簡單光譜訪問協(xié)議，能夠通過已在虛擬天文臺上注冊的天文數(shù)據庫如SIMBAD、NED、VizieR、ESO等或者光譜巡天望遠鏡產生的數(shù)據獲取光譜數(shù)據、光譜能量分布數(shù)據、河外數(shù)據等；并且支持簡單應用程序消息傳遞協(xié)議，使數(shù)據在軟件之間交流和交互式操作。VOSpec、VOSED、SpecView、Iris、SPLAT、CASSIS都支持合成光譜能量分布以及光譜可視化和分析。ASERA獨有專家識譜和譜線識別的功能，這是其余6種軟件沒有的。7種軟件除VOSED基于網絡方式外，其他都是基于JAVA語言開發(fā)。也就是說，這6種光譜分析軟件都可以在網絡中以Java編程語言編寫的小應用程序Applet方式運行，較適合整合在一個平臺上使得軟件的使用和數(shù)據的交流更為方便和快捷，類似的例子有中國的China-VO[11-12]、國外的DAMEWARE等。這樣便于進行二次開發(fā)，增加新的功能，使其更為強大、全面。每種軟件都有自己的優(yōu)缺點和獨特功能，通過上面的介紹和描述，用戶可以根據自己的需求和科研目標，選擇合適的工具。隨著越來越多的光譜巡天項目的進行，光譜數(shù)據愈加繁多和復雜，對光譜分析和處理的自動化要求越來越強烈。天文學家在應用這些光譜分析軟件的同時，不斷提出新的要求并及時反饋。相信隨著天文學家和軟件開發(fā)者的良好互動，光譜分析軟件將會越來越柔韌、越來越便捷、越來越強大和健壯。借助光譜分析軟件，天文學家處理光譜更加得心應手，更加高效快捷，從而推動天文學研究的巨大進步。

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CN 53-1189/PISSN 1672-7673

Application of Spectral Analysis Softwares in Astronomy

Tu Yang1,2, Zhang Yanxia2, Zhao Yongheng2, Tian Haijun1, Yuan Hailong2

(1. China Three Gorges University, Yichang 443002, China; 2. Key Laboratory of Optical Astronomy, National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, China, Email: tyang@nao.cas.cn)

Key words:Spectral analysis softwares; Astrophysics; Spectroscopic survey; SED

Abstract:With the planning, implementation and operation of large-scale spectroscopic survey projects, automatic analyses, efficiently collections and quickly extracting effective physical information from the huge volume of astronomical spectral data is the focus of astronomers and an important issue of contemporary astronomical researches. Most of astronomy researches are based on the spectral analysis. Various rapidly developed spectral analysis tools are of promoting significance to easily explore the spectral characteristics in view of their convenience and usability. In this paper, the relevant background of the several completed, running and upcoming spectroscopic survey projects are described, and the importance of applying spectral tools is pointed out. Taking VOSpec, VOSED, SpecView, Iris, SPLAT, CASSIS, ASERA for example, the basic features and main functions of theos spectral analysis tools are introduced, and then the applications and operating environments of these tools are compared, The research in this paper provides the certain reference and guidance for astronomers to select the analysis software.

基金項目：國家自然科學基金委員會與美國德州農工大學聯(lián)合基金 (11411120219)；國家重點基礎研究發(fā)展計劃 (973計劃) (2014CB845700)；國家自然科學天文聯(lián)合基金 (U1231123, U1331202) 資助.

收稿日期：2015-04-29；

修訂日期：2015-05-18

作者簡介：涂洋，男，碩士. 研究方向：數(shù)據挖掘. Email: tyang@nao.cas.cn

中圖分類號：P141.5

文獻標識碼：A

文章編號:1672-7673(2016)01-0124-09