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星族合成方法的研究及应用

作　者: 苏姗姗
导　师: 孔旭
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 天体物理
关键词: 星系演化-方法数据分析-红外星系-星系恒星形成
分类号: P15
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

星系的光谱中包含了大量和其物理性质相关的信息,如何快速有效的分析星系的观测光谱并获得大样本星系的相关参数,对我们研究星系的形成和演化至关重要。随着现代巡天的迅速发展,星系的光谱数据到达了前所未有的数量,尤其是斯隆数字巡天更是带来了数百万的高质量星系光谱。在这些高质量数据增加的同时,也需要我们能发展出快速有效的数据自动处理方法。这篇论文的主要内容包括利用盲源分离方法,实现对大样本光谱数据的快速拟合分析,以及利用我们的光谱分析方法,研究极亮红外星系的演化。论文首先介绍了几种不同的盲源分离方法,包括主成分分析(PCA),独立成分分析(ICA)和基于贝叶斯理论的概率独立成分分析(PICA)。我们详细描述PICA中朴素平均场算法(EL-ICA)和高级平均场(MF-ICA)算法。相比于其他几种盲源分离方法,MF-ICA方法更准确,计算过程更快速,因此我们选择MF-ICA方法用于星系光谱分析。论文第三章介绍了演化的星族合成模型,总结了模型的主要参数：恒星形成历史,初始质量函数,恒星演化轨迹和恒星光谱库。演化的星族合成模型可以生成完备的简单星族(SSPs)光谱库,从库中挑选出若干个SSP作为模板,结合矩阵求逆的方法,可以实现对星系观测光谱的拟合和星族性质相关参数的推断。本文第四章把MF-ICA方法应用于星系的光谱分析中,实现了对星系观测光谱的快速拟合和星族成分的分析,并完成了对DR8所有光谱数据的分析。我们利用MF-ICA方法将星族合成模型的SSP光谱库压缩成极少量的特征成分,利用这些特征成分,完成对星系光谱的重构。相比于将星系光谱分解为若干个SSP的传统矩阵求逆方法,MF-ICA的应用极大的提高了光谱拟合效率和相关参数的确定。我们采用了三种不同的方法来检验我们的光谱分析方法的准确性和可靠性：1)拟合模型星系；2)对比前人基于不同方法得到的拟合结果；3)拟合SDSS光谱数据,分析估算出的参数之间的关系。结果表明,我们的方法不仅能很好的拟合出星系的光谱,同时也能准确的估算出星系的相关参数,比如恒星成分、恒星形成历史、星光红化以及恒星速度弥散。考虑到光谱分辨率和信噪比对拟合效果的影响,我们也对DEEP2光谱数据进行初步拟合,结果表明我们的方法对信噪比较低的DEEP2光谱仍然适用。最后,我们利用基于MF-ICA的光谱分析方法,完成了对极亮红外星系(ULIRGs)的星族分析,并对其演化进行了研究。通过WISE数据和SDSS光谱数据的交叉匹配,我们最终确定了419个窄线ULIRGs样本。根据测量的发射线性质,将这些ULIRGs分类为HⅡ-like ULIRGs, Seyfert2ULIRGs和Composite ULIRGSo我们利用基于MF-ICA的光谱分析方法,对这些ULIRGs的光谱进行了拟合,并分析这三种不同类型ULIRGs的星族性质,包括星族比例、恒星年龄和恒星质量,同时研究了它们之间的演化关系。结果表明,对于有无AGN成分的ULIRGs,它们之间的星族成分没有明显的区别。我们的分析结果认为这三种不同类型的ULIRGs之间可能不存在演化关系。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-14
第1章引言  14-24
  1.1 河外光谱巡天  14-16
    1.1.1 河外光谱巡天历史  14-15
    1.1.2 光谱目标选取  15-16
  1.2 斯隆数字巡天(SDSS)  16-20
    1.2.1 光谱样本  16-17
    1.2.2 光谱观测  17-18
    1.2.3 SDSS-Ⅲ和DR8数据  18-20
  1.3 分析方法  20-22
    1.3.1 星族合成方法  20-21
    1.3.2 盲源分离  21-22
  1.4 我们的工作  22-24
第2章盲源分离  24-34
  2.1 主成分分析  24-25
  2.2 独立成分分析  25-27
  2.3 基于概率独立成分分析  27-33
    2.3.1 混合矩阵和噪声方差的估算  27-29
    2.3.2 EL-ICA  29-30
    2.3.3 MF-ICA  30-32
    2.3.4 源信号模型  32-33
  2.4 小结  33-34
第3章演化的星族合成方法  34-46
  3.1 恒星诞生率  34-36
    3.1.1 初始质量函数  35-36
    3.1.2 恒星形成历史  36
  3.2 恒星演化轨迹  36-37
  3.3 恒星光谱库  37-39
  3.4 简单星族(SSP)  39-40
  3.5 逆向光谱拟合  40-44
    3.5.1 方法  40-42
    3.5.2 可靠性  42-44
  3.6 小结  44-46
第4章基于MF-ICA的光谱拟合方法  46-70
  4.1 引言  46-47
  4.2 方法  47-52
    4.2.1 星族模型  47-48
    4.2.2 MF-ICA方法的应用  48-49
    4.2.3 利用MF-ICA算法分析SSPs光谱  49-52
    4.2.4 拟合星系光谱  52
  4.3 可靠性检验  52-53
    4.3.1 模拟星系  52-53
  4.4 结果  53-58
    4.4.1 对比EL-ICA方法  56-58
  4.5 应用于SDSS观测光谱  58-67
    4.5.1 样本数据  58-59
    4.5.2 对比MPA/JHU数据库  59-64
    4.5.3 经验关系  64-67
  4.6 应用于较高红移的观测光谱  67-69
  4.7 总结  69-70
第5章 WISE和SDSS巡天中的极亮红外星系  70-92
  5.1 数据和样本选择  72-77
    5.1.1 WISE样本  72
    5.1.2 SDSS匹配和ULIRGs的选取  72-77
  5.2 分析样本的星族成分  77-81
  5.3 ULIRGs的物理性质  81-88
    5.3.1 尘埃消光  81-83
    5.3.2 星族贡献  83-85
    5.3.3 恒星年龄和恒星质量  85-88
  5.4 讨论  88-90
    5.4.1 幂律谱的AGN贡献  88-89
    5.4.2 拟合方法的影响  89-90
  5.5 总结  90-92
第6章总结与展望  92-96
  6.1 总结  92-93
  6.2 展望  93-96
参考文献  96-106
致谢  106-108
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果  108

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