第23章：21 cm 强度映射中的“无色散公共项—环境相关”

目录 ／ 附录-预测和证伪

一、【一句话目标】
在21 cm 强度映射（单天线自相关与阵列干涉模式并行）数据中，于完成宇宙学项（含红移畸变/BAO）、前景项（银河系同步辐射/自由–自由/点源）、仪器项（波束色散/带通/1/f/极化泄漏）与大气/电离层等标准扣除后，构建频率独立（无色散）且与环境骨架（空洞—纤维—结点、外会聚/外剪切、弱透镜 κ、星系密度场）单调相关的公共项残差判据。若该公共项在多频段—多红移层与多设施/多管线间稳定出现，并能被仅基于环境代理量的前馈预测盲化命中，则支持路径型共同项；若残差可由前景/极化泄漏/波束色散/标定漂移解释，或不具备上述稳健性，则否证。

二、【要测什么】

• 公共项残差（文字分级）：在标准成分剥离后，对亮温波动的频率独立残差按强/中/弱；上抬/下压分级，要求在相邻子带/子红移层方向一致。
• 无色散一致性：在多个子带（同一红移层内）与跨红移层比较残差的方向与强度排序；若出现随 λ²/1/ν/法拉第旋转规律翻向或重标度，判为介质/链路项。
• 环境相关与单调性：以空洞度/纤维度/到结点距离/外会聚 κ/外剪切 γ/弱透镜 κ、光学星系密度与丝主轴模板为自变量，记录残差的增强/平台/不相关，并检验空洞→纤维/结点的单调增强。
• 空间与尺度分层：在大尺度（≥ 50–100 Mpc）与中尺度（10–50 Mpc）上，比较残差—环境相关的尺度依赖（增强/持平/衰减），并报告**视向（k∥）—横向（k⊥）**分层后的方向一致性（文字化）。
• 跨模式一致性：对单天线自相关与干涉可见度重建两种模式，以及漂移扫描/指向拼图两种成图方式，比较公共项残差与环境相关性的方向与排序是否一致。

三、【怎么做】

1. 观测与样本
   • 设施与频段：选择至少两类设施（如中频阵列/南半球阵列/大口径单镜），覆盖z ≈ 0.8–2.5（可外延至 EoR 预研层），在相邻子带构成子红移层；
   • 天空区与掩膜：优先选高银河纬度低前景区，提供星系巡天/弱透镜 κ与丝—结点—空洞骨架的交叉区域；构建RFI/明亮点源/地平溢出掩膜。
2. 前处理与去系统化
   • 带通与增益稳定：时频二维去趋势/去 1/f/增益漂移并记录稳定度日志；
   • 前景与波束色散：采用多方法并行（PCA/GMCA/参数化模板/延时域滤除），并以频响与波束模拟进行转移函数校正与色散残差上限评估；
   • 极化泄漏与法拉第：执行极化标定与泄漏矩阵反演，利用RM‑Synthesis检测并门限法拉第条纹残留。
3. 残差构建与归一
   在每个子红移层，输出去系统化后立方体并投影为亮温残差图/残差功率片；以噪底/窗口函数归一，得到无量纲公共项指标（文字分级）。
4. 环境模板与前馈
   • 构建空洞—纤维—结点骨架与外会聚 κ/外剪切 γ/弱透镜 κ/星系密度模板；
   • 环境组（前馈）：仅使用环境模板与观测掩膜，给出各子红移层公共项强度等级、与环境的单调方向与尺度依赖的预测卡。
5. 盲化测量与仲裁
   • 测量组（独立管线）：在多条前景去除/色散校正路径与两种成图模式下，分别产出公共项残差分级与与环境的相关/单调性；不接触预测卡；
   • 仲裁组：按预注册规则对齐预测卡—实测摘要，计算命中/错向/空击率，并在设施/子红移层/方法族维度分层统计。
6. 交叉一致性
   与光学星系/红移切片、弱透镜 κ、CMB 透镜 κ进行交叉相关；报告是否随波段翻向（若翻向则降级）。

四、【阳性/阴性对照与剥离假象】

1. 阳性对照（支持路径共同项）：
   • 公共项残差在相邻子带与跨设施方向一致，且对空洞→纤维/结点与κ/γ/κ_weak呈单调增强；
   • 无色散成立：残差不随λ²/1/ν/RM规律翻向或重标度；
   • 在单天线与干涉模式、漂移扫描与指向拼图之间结论一致；
   • 前馈预测对方向/强度排序/尺度依赖的命中率显著高于随机，并在独立管线/独立设施间复现。
2. 阴性对照（反对路径共同项）：
   • 残差与银河同步辐射模板/尘模板/银河纬度强相关，或随RM 条纹强变；
   • 残差对波束色散/带通/增益漂移处理方式高度敏感，仅在单一路线显著；
   • 标签置换/天区旋转或RFI 注入模拟后仍“显著”，判为方法/选择偏好。

五、【系统误差与对策（不超过三点）】

• 波束色散与旁瓣回声：会把前景泄入高 k∥ 造成伪无色散项。对策：方向相关波束建模＋全链路电磁仿真，以转移函数校正与多方法一致性设上限；报告色散残差等级。
• 极化泄漏叠合法拉第：可制造“频率结构”并假性相关环境。对策：强制极化泄漏解算＋RM‑Synthesis 门限，在去 RM/未去 RM两套口径下分别统计并比对方向一致性。
• 增益/带通与 1/f 漂移：造成大尺度残差与环境错配。对策：时频二维去趋势＋多时段交叉，以天区交叠/交叉漂移轨做闭合检验；对不稳定历元/频段降权或留出。

六、【执行与公开】

• 预注册：天区/子红移层与子带划分、前景与色散处理族、极化口径、公共项残差与环境相关的文字化分级口径、阳性/阴性对照与排除条款、仲裁评分规则；
• 留出与复验：各设施与子红移层设留出天区/留出频段作最终确认；
• 跨团队/跨设施复现：在两类以上设施与两套以上独立管线间互换原始能见度/地图与脚本，开展降采样/加噪/掩膜变体稳健性测试；
• 公开材料：发布预测卡、公共项残差与环境相关的分级表、无色散核验摘要、波束/极化/增益日志与关键中间产物；
• 与第20章（太阳系同源多路径掠日序列）、第9/21章（强透镜统计与环境项）、第27章（路径红移层析）构成互证闭环并相互引用。

七、【成败线】

1. 支持（通过）：
   • 在**≥2 类设施与≥2 套独立管线中，公共项残差对空洞→纤维/结点或κ/γ/κ_weak呈单调增强**，并在相邻子带/跨红移层保持无色散一致性；
   • 交叉相关对星系密度/弱透镜 κ显著，且对银河前景模板/RM 条纹不敏感；
   • 前馈命中率显著高于随机，旋转/置换与 RFI/前景模拟对照下仍稳健。
2. 否证（未通过）：
   • 残差随λ²/1/ν/RM规律翻向或强依赖波束色散/增益口径，跨设施/跨管线不复现；
   • 与银河前景模板/极化泄漏强相关，或仅在单一方法/单一天区显著；
   • 环境分层下不呈单调，或仲裁命中率接近随机。