SPAN：一款跨平台的Python图形用户界面软件，用于光学和近红外光谱分析

时间：2026年1月28日

来源：Astronomy and Computing

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光谱分析数据处理工具SPAN基于Python开发，整合数据准备、光谱处理（如 Doppler校正、去噪）和星系动力学分析功能，采用pPXF作为核心引擎，支持多平台（Windows/Linux/macOS/Android），简化天文光谱分析流程。

D. Gasparri|L. Morelli|U. Battino|J. Méndez-Abreu|A. de Lorenzo-Cáceres

阿塔卡马大学天文与行星科学研究所，Copayapu 485，Copiapó，1530000，阿塔卡马，智利

摘要

高质量光学和近红外光谱数据的日益丰富，以及建模技术的进步，极大地扩展了光谱研究的科学潜力。然而，利用这些潜力所需的软件工具往往分散在多个专业软件包中，需要脚本编写技能和手动集成来处理复杂的工作流程。在本文中，我们介绍了SPAN（SPectral ANalysis），这是一个基于Python的跨平台图形用户界面（GUI）软件，它将现代光谱工作流程中的关键步骤整合在一个用户友好的环境中。SPAN提供了一个连贯的框架，统一了数据准备、光谱处理和分析任务，使用pPXF软件作为其核心引擎进行完整的光谱拟合。SPAN允许用户从FITS图像和数据立方体中提取一维光谱，执行光谱处理（例如多普勒校正、连续谱建模、去噪），并进行详细分析，包括等效宽度测量、恒星和气体运动学研究以及恒星种群研究。它原生支持Windows、Linux、macOS和Android系统，并且完全基于任务驱动，无需任何编程经验。我们通过将其输出与现有流程和文献研究进行比较来验证SPAN的有效性。通过提供一个灵活、易用且集成良好的环境，SPAN简化并加速了光谱分析工作流程，同时保持了科学准确性。

引言

天文光谱的处理和分析在天体物理学中起着基础性作用，为了解恒星和星系的物理性质及演化过程提供了深刻的见解。

多年来，已经开发了多种软件包和流程来辅助光谱处理和分析。其中一些是通用工具，主要用于光谱数据的还原和处理。广泛使用的IRAF软件包（Tody, 1986, Tody, 1993）几十年来一直是天文学家的标准参考。最近，基于现代图形用户界面（GUI）的软件如SPLAT-VO（Šaloun等人，2016）和pyspeckit（Ginsburg等人，2022）被开发出来，提供了更新的选择。其他专用工具则专注于星系光谱建模（如PYMORPH（Vikram等人，2010））或星系光谱能量分布（SED）建模（如Galapy（Ronconi等人，2024））。还有一些软件包专门用于自动光谱提取（如ASPIRED（Lam等人，2023））、恒星光谱建模和大气参数确定（如iSPEC（Blanco-Cuaresma等人，2014）或光谱可视化和红移确定（如SpecPro（Masters和Capak，2011））。

对于恒星和星系而言，光学和近红外波段吸收线的等效宽度（EW）测量长期以来一直是表征其物理性质和恒星种群的重要手段（例如Faber，1973；Burstein等人，1984；Worthey等人，1994；Trager等人，2000）。最近的研究在光学（例如Schiavon，2007；Morelli等人，2008；Morelli等人，2012；McDermid等人，2015；Molina，2018）和近红外（NIR，例如Molina和Stock，2004；Alton等人，2018；Riffel等人，2019；Morelli等人，2020；Baratella等人，2020；Gasparri等人，2021；Gasparri等人，2024）领域对这些分析进行了扩展和细化。不同的代码专注于线强度EW的测量，包括PACCE代码（Riffel和Borges Vale，2011）、基于Fortran的LECTOR代码（Vazdekis，2011）、基于C++的Indexf代码（Cardiel，2010）以及ROBOSPEC（Waters和Hollek，2013）。

完整光谱拟合算法为恒星和星系光谱的分析提供了一种互补且稳健的方法。这些方法不是针对特定的光谱特征，而是结合模板光谱同时对光谱进行拟合，从而更全面地提取物理信息。对于星系的积分光谱，完整光谱拟合在推导恒星和气体成分的运动学以及重建恒星形成历史（SFH）方面特别有效（例如Cappellari和Emsellem，2004；Wilkinson等人，2015；McDermid等人，2015；Pessa等人，2023）。

已经开发了几种用于星系光谱完整光谱拟合的算法。pPXF代码（Cappellari，2023及参考文献）被广泛用于提取恒星运动学、恒星种群特性和SFH。其他完整光谱拟合算法和流程包括STARLIGHT（Cid Fernandes等人，2005）、STECMAP（Ocvirk等人，2006）、VESPA（Tojeiro等人，2007）、ULySS（Koleva等人，2009b）、FADO（Gomes和Papaderos，2017）、FIT3D（Sánchez等人，2016a，Lacerda等人，2022）和FIREFLY（Wilkinson等人，2017），其中一些算法还结合了机器学习技术（例如Fabbro等人，2018）。

已经开发了几种流程来进行星系的高级光谱分析。Pipe3D专门用于分析CALIFA、MaNGA和SAMI数据（Sánchez等人，2016b），基于FIT3D拟合工具。GIST流程（Bittner等人，2019；Bittner，2021）整合了pPXF和GANDALF（Sarzi等人，2017），用于星系数据立方体中的恒星和气体光谱分析。更新的nGIST流程（Fraser-McKelvie等人，2024）专注于MUSE数据立方体的分析。

尽管这些软件包在各自的领域具有优势，但在提供一个完全跨平台的通用软件方面仍存在空白，该软件能够在一个直观的GUI中整合所有现代光谱处理和分析工具。

SPAN是一个长期项目，始于2020年。它的目标是为用户提供一个简单直观的GUI，整合最常用的天文光谱处理和分析工具，特别关注星系的未分辨光谱。SPAN的主要目标是通过提供一个完全跨平台且用户友好的环境来简化并提高光谱处理的效率。同时，SPAN设计得具有灵活性和可扩展性，允许用户修改和增强源代码，以引入新程序或根据天文学界不断变化的需求调整现有程序。

在本文中，我们介绍了SPAN的6.6.X版本，并对其功能和操作进行了全面概述。本文的结构如下：第2节介绍SPAN的主要功能；第3节描述了源代码的结构和架构；第4节重点介绍了软件支持的光谱处理任务；第5节介绍了可用的光谱分析工具；第6节将SPAN的结果与其他广泛使用的软件进行了比较并评估了其性能；第7节通过使用公开可用的MUSE数据，以螺旋星系NGC 1097为例进行了科学案例分析；第8节概述了计划中的未来开发；第9节总结了我们的结论。

章节片段

一般描述

SPAN是一款用于处理和分析大量一维（1D）光谱的图形软件，能够在单一交互式框架内高效处理数百甚至数千个光谱。输入的一维光谱可以由用户独立获取，或者由SPAN从完全还原的二维长缝和三维（即数据立方体）FITS文件中提取。一维光谱通过一个简单的ASCII文本文件（光谱列表文件）加载到主界面中。

图形用户界面（GUI）

GUI是使用FreeSimpleGui模块构建的，该模块是Tkinter（Lundh，1999）框架的包装器。FreeSimpleGui遵循GNU Lesser General Public License发布，并可在GitHub上找到（https://github.com/spyoungtech/FreeSimpleGUI）。该模块包含在SPAN发行版中，无需通过pip安装。

GUI的设计尽可能直观清晰，采用极简布局以确保快速加载和刷新。任务

光谱处理面板

在许多科学案例中，在分析之前需要对提取的一维光谱进行处理。这种处理可能涉及多种操作，如去红移、连续谱建模、过滤和去噪以及分辨率降级。SPAN的光谱处理面板（图3）提供了一组任务，允许用户执行这些操作。为此面板编写的Python例程集中在spec_manipul模块中，该模块位于span_functions文件夹内。

光谱分析

光谱分析是从恒星和星系光谱中提取关键信息的强大工具。在河外天体研究中，它是揭示星系性质和演化历史的主要方法。因此，近年来人们投入了大量努力来开发最佳算法以获取这些信息，并结合基于经验和理论的光谱库开发简单的恒星种群（SSP）模型。SPAN嵌入了最广泛使用的恒星

测试和性能

SPAN已在Windows（10和11 64位版本）、Linux（Debian、Fedora、Ubuntu）、macOS和Android（版本11至14）机器上进行了测试，同时也兼容所有Python 3.10+版本。该程序已用于IRAF还原的光谱、SDSS光谱、Rayner等人（2009）发布的IRSTF库的第一个版本以及Villaume等人（2017）发布的扩展版本、SAURON光谱、X-Shooter库光谱（Arentsen等人，2019；Gonneau等人，2020；Verro等人，2022b）以及JWST NIRSPEC提取的光谱。

示例科学案例：螺旋星系NGC 1097

在本节中，我们将展示如何使用SPAN高效分析光谱数据并生成科学级结果。作为代表性案例研究，我们重点关注螺旋星系NGC 1097的运动学和恒星种群。该星系是Time Inference with MUSE in Extragalactic Rings（TIMER）项目（Gadotti等人，2019）的一部分，相关分析结果发表在Gadotti等人（2019）和Bittner等人（2020）的论文中。

已检索到NGC 1097的完全还原MUSE数据立方体。

未来发展

SPAN是一个持续维护和发展的项目。计划中的几项关键发展将进一步增强其科学能力，并扩大其在更广泛光谱数据集和研究背景下的应用范围。

•
数据立方体直接支持的扩展：当前版本的SPAN为MUSE、CALIFA、WEAVE LIFU和JWST NIRSpec IFU仪器的数据立方体提供了专用提取程序。虽然该软件已经能够处理来自任何

结论

在本文中，我们介绍了SPAN，这是一个用Python编写的跨平台GUI软件（兼容Python 3.10及以上版本），专为天文光谱的处理和分析而设计，优化了从光学到近红外波长的范围，并适用于星系光谱。

SPAN是一个长期项目，旨在为社区提供一个跨平台、直观且易于使用的GUI，整合了最常用的现代光谱分析工具。其主要目标是

CRediT作者贡献声明

D. Gasparri：撰写——原始草稿、验证、软件开发、方法论、研究设计、数据分析、概念化。L. Morelli：撰写——审稿与编辑、验证、资源管理、数据管理。U. Battino：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、数据管理。J. Méndez-Abreu：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、监督、数据分析。A. de Lorenzo-Cáceres：撰写——审稿与编辑、验证。