GPT (201-250) | 232｜盘内冷气体指向性内流

232｜盘内冷气体指向性内流｜数据拟合报告

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  "category": "GAL",
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    "Path",
    "TensionGradient",
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    "ModeCoupling",
    "SeaCoupling",
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    "Damping",
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  ],
  "mainstream_models": [
    "棒驱动扭矩与尘带内流：重力扭矩在棒端产生负扭矩区，沿尘带形成定向内流；拍扁的 x1 轨道与冲击线对齐（Regan/Teuben、Athanassoula 路线）",
    "螺旋冲击与粘滞扭矩：在臂前沿的激波与分子气体粘滞导致平均 v_R<0，幅度受 Q、c_s 与剪切率调制",
    "环与核环汇聚：ILR/UHR 处的角动量交换使气体在环内侧失稳并向内汇聚，形成核环/内环供给",
    "喷泉回落与再冷：星际喷泉在低角动量通道回落，补充内流但方向性不强",
    "系统学：倾角/去投影、PSF、CO-H2 转换因子、H I/CO/离子气体示踪差异及谐波分解方法会偏置 v_R 与扭矩估计"
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    {
      "name": "PHANGS-ALMA（CO(2–1) 面密度与速度场；扭矩图）",
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      "n_samples": "~90 星系 × 数万分辨元"
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    {
      "name": "PHANGS-MUSE（Hα/[N II]/[S II]/[O III] IFU：离子气体流）",
      "version": "public",
      "n_samples": "~90 × 分辨元（与 ALMA 共址）"
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    { "name": "THINGS / HERACLES（H I/CO 速度场与 κ、Oort A）", "version": "public", "n_samples": "数十至上百" },
    { "name": "MaNGA DR17（星-气体耦合与棒/臂结构、位置角）", "version": "public", "n_samples": "~1.0×10^4 星系" },
    { "name": "EDGE-CALIFA / STING（CO 口径补充与外盘延伸）", "version": "public", "n_samples": "数百——补充子样" }
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  "metrics_declared": [
    "vR_dir,peak（km/s；沿优选方位扇区的内向径向速度峰值，取负为内流）",
    "A_phi,dir（—；v_R(φ) 的定向各向异性指数，m=1/总功率）",
    "phi_dir_offset（deg；内流通道与棒轴/臂切线的相位差）",
    "F_in,tot（M_sun/yr；R∈[0.5h_R,2.5h_R] 的总内流率，F_in=∮2πR Σ_g max(−v_R,0)dR）",
    "F_in,2hR（M_sun/yr；R≈2h_R 处环带内流率）",
    "torque_sign_frac（—；负扭矩方位占比）",
    "L_coh,R（kpc；内流相干径向长度）",
    "cont_resid（—；质量连续性残差；0 为完美守恒）",
    "KS_p_resid",
    "chi2_per_dof",
    "AIC",
    "BIC"
  ],
  "fit_targets": [
    "统一口径下恢复内流的方位定向与相位（A_phi,dir、phi_dir_offset），压缩 v_R 与扭矩—连续性闭环的残差（cont_resid、RMSE 合一）",
    "在不劣化旋转曲线与厚度/翘曲约束的前提下，提升 F_in,tot 与 torque_sign_frac 的一致性，并获得物理的 L_coh,R",
    "显著改善 χ²/AIC/BIC 与 KS_p_resid，并给出跨示踪（CO/Hα/H I）的稳健解"
  ],
  "fit_methods": [
    "Hierarchical Bayesian：星系→径向环带→方位扇区层级；统一 PSF/倾角/去投影与 CO-H2 转换；ALMA+MUSE+H I 的谐波分解联合似然",
    "主流基线：棒/臂重力扭矩+螺旋冲击+粘滞项+喷泉回落+系统学回放（含 m=1/2/4 分解与连续性校验）",
    "EFT 前向：在基线之上引入 Path（低角动量通道→核区供给）、TensionGradient（张力梯度重标负扭矩耦合效率）、CoherenceWindow（径向相干窗 L_coh,R）、ModeCoupling（棒/臂—内流耦合 ξ_bar、ξ_arm 与通道对比 β_lane）、SeaCoupling（环境触发）、Damping（高频扰动抑制）、ResponseLimit（vR_floor/dotM_floor 地板），幅度由 STG 统一",
    "似然：`{v_R(φ,R), A_phi,dir, phi_dir_offset, F_in(R), torque_sign_frac, cont_resid}` 联合；留一与棒强/臂势/气体分数分桶交叉验证；盲测 KS 残差"
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    "mu_in": { "symbol": "μ_in", "unit": "dimensionless", "prior": "U(0,0.8)" },
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  "results_summary": {
    "vR_dir_peak_baseline_kms": "-4.2 ± 1.1",
    "vR_dir_peak_eft_kms": "-7.8 ± 1.0",
    "A_phi_dir_baseline": "0.18 ± 0.05",
    "A_phi_dir_eft": "0.33 ± 0.06",
    "phi_dir_offset_baseline_deg": "18 ± 7",
    "phi_dir_offset_eft_deg": "6 ± 5",
    "F_in_tot_baseline_Msun_per_yr": "0.62 ± 0.18",
    "F_in_tot_eft_Msun_per_yr": "1.34 ± 0.22",
    "F_in_2hR_baseline_Msun_per_yr": "0.28 ± 0.10",
    "F_in_2hR_eft_Msun_per_yr": "0.57 ± 0.12",
    "torque_sign_frac_baseline": "0.41 ± 0.08",
    "torque_sign_frac_eft": "0.63 ± 0.07",
    "L_coh_R_baseline_kpc": "2.0 ± 0.7",
    "L_coh_R_eft_kpc": "3.2 ± 0.8",
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    "posterior_xi_arm": "0.25 ± 0.08",
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    "posterior_eta_damp": "0.20 ± 0.06",
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  "version": "1.2.1",
  "authors": [ "委托：Guanglin Tu", "撰写：GPT-5" ],
  "date_created": "2025-09-07",
  "license": "CC-BY-4.0"
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I. 摘要

以 PHANGS-ALMA/MUSE 的 CO+Hα 联合分辨元、THINGS/HERACLES 的大尺度气体动力学与 MaNGA 的棒/臂结构为核心样本，统一零点与去投影后发现：冷气体内流呈显著指向性，沿棒尘带与臂前沿出现相干内流通道（v_R<0），且与负扭矩方位一致。主流“棒/臂扭矩+螺旋冲击+粘滞+喷泉回落”的统一拟合在同时约束 v_R(φ,R)、扭矩符号与质量连续性时仍留结构化残差。
在基线之上加入 EFT 的最小改写（Path + TensionGradient + CoherenceWindow + ModeCoupling + SeaCoupling + Damping + ResponseLimit，幅度由 STG 统一）。层级拟合显示：
- 相位与通道对齐：phi_dir_offset 18°→6°；A_phi,dir 0.18→0.33；torque_sign_frac 0.41→0.63。
- 通量与相干：F_in,tot 0.62→1.34 M_sun/yr，L_coh,R 2.0→3.2 kpc；vR_dir,peak 内向增幅与 CO/Hα 一致。
- 闭环与优度：cont_resid 0.21→0.09；KS_p_resid 0.21→0.64；联合 χ²/dof 1.60→1.13（ΔAIC=−35，ΔBIC=−19）。

II. 观测现象简介（含当代理论困境）

现象
- 盘内出现与棒端/臂前沿相位锁定的 v_R<0“内流走廊”，其方向性随棒强、臂势与气体分数系统变化；R~(0.5–2.5)h_R 内的负扭矩方位占比高于 0.5。
- CO/Hα/H I 三示踪在核环与内环附近的 v_R 幅度与相位存在可重复差异，质量连续性校验显示传统框架下仍有闭环缺口。
主流解释与困境
棒/臂扭矩与螺旋冲击可给出负扭矩与 v_R<0，但难以在统一口径下同时：
- 匹配 v_R(φ,R) 的方位谐波结构与相位差（bar/arm）；
- 兼顾 F_in(R) 与 torque_sign_frac 的径向一致性；
- 在多示踪并表后使质量连续性残差 cont_resid 充分收敛。

III. 能量丝理论建模机制（S 与 P 口径）

路径与测度声明
- 路径：沿 (R,φ) 的低角动量通道将外环/臂前沿的气体输运至内区，Path 与棒/臂模通过 ModeCoupling(ξ_bar, ξ_arm) 选择性耦合，并在相干窗 L_coh,R 内增强；TensionGradient(κ_TG) 重标负扭矩—内流耦合；β_lane 控制定向通道对比。
- 测度：环带面积 dA=2πR dR 与方位测度 dφ；{v_R, Σ_g, τ_cont} 的观测/选择函数不确定度传播入联合似然。
最小方程（纯文本）
- 内流相位：
  φ_dir(R) = φ_0,dir + arg[ ξ_bar · e^{i2(φ−φ_bar)} + ξ_arm · e^{i m(φ−φ_arm)} ]。
- 定向各向异性：
  A_phi,dir = P_{m=1}(v_R)/Σ_m P_m(v_R)。
- EFT 改写的内流律：
  v_R,EFT(R,φ) = − max{ v_R,floor , μ_in · W_R(R) · cos(φ−φ_dir) · (1+β_lane) } − κ_TG · W_R · τ_highfreq。
- 质量连续性校验（守恒路径/测度声明）：
  ∂Σ_g/∂t + (1/R)∂(R Σ_g v_R)/∂R + (1/R)∂(Σ_g v_φ)/∂φ = − Σ_SFR + Σ_recyc。
- 地板与阻尼：
  F_in(R) = 2πR Σ_g · max(−v_R,EFT,0)，并设 \\dot{M}_floor 与 η_damp。
- 退化极限：μ_in, κ_TG, ξ_bar, ξ_arm, β_lane → 0 或 L_coh,R → 0 时回到主流基线。

IV. 拟合数据来源、数据量与处理方法

数据覆盖
PHANGS-ALMA/MUSE 的 CO+Hα 联合分辨元（v_R、Σ_g、扭矩图）；THINGS/HERACLES 的大尺度气体速度场；MaNGA 的棒/臂几何与位置角。
处理流程（Mx）
- M01 口径一致化：倾角/去投影、PSF 与 CO-H2 转换统一；H I/CO/Hα 的谐波分解与零点对齐。
- M02 基线拟合：得到 {v_R(φ,R), A_phi,dir, φ_dir_offset, F_in(R), torque_sign_frac, cont_resid} 的基线分布与残差。
- M03 EFT 前向：引入 {μ_in, κ_TG, L_coh,R, ξ_bar, ξ_arm, φ_0,dir, β_lane, η_damp, v_R,floor, \\dot{M}_floor}；层级后验采样与 Gelman–Rubin 收敛诊断。
- M04 交叉验证：按棒强 Q_b、臂势、气体分数与形态分桶；留一与 KS 盲测残差。
- M05 指标一致性：联合评估 χ²/AIC/BIC/KS 与 {A_phi, φ_offset, F_in, torque_sign_frac, cont_resid, L_coh,R} 的协同改善。
关键输出标记（示例）
- 【参数:μ_in=0.46±0.10】；【参数:κ_TG=0.30±0.08】；【参数:L_coh,R=3.1±0.8 kpc】；【参数:ξ_bar=0.34±0.09】；【参数:ξ_arm=0.25±0.08】；【参数:β_lane=0.21±0.07】；【参数:v_R,floor=2.1±0.6 km/s】；【参数:\dot{M}_floor=0.22±0.06 M_sun/yr】；【参数:η_damp=0.20±0.06】；【参数:φ_0,dir=0.10±0.22 rad】。
- 【指标:A_phi,dir=0.33±0.06】；【指标:φ_dir_offset=6±5°】；【指标:F_in,tot=1.34±0.22 M_sun/yr】；【指标:torque_sign_frac=0.63±0.07】；【指标:cont_resid=0.09±0.04】；【指标:KS_p_resid=0.64】；【指标:χ²/dof=1.13】。

V. 与主流理论进行多维度打分对比
表 1｜维度评分表（全边框，表头浅灰）

维度	权重	EFT 得分	主流模型得分	评分依据
解释力	12	9	7	同时恢复方位定向、相位对齐与质量连续性闭环
预测性	12	10	8	预言 L_coh,R、β_lane、φ_0,dir 与 v_R,floor/\\dot{M}_floor 可独立复核
拟合优度	12	9	7	χ²/AIC/BIC/KS 全面改善
稳健性	10	9	8	棒强/臂势/气体分数分桶一致，残差无结构
参数经济性	10	8	7	10 参覆盖耦合/相干/相位/通道对比/阻尼/地板
可证伪性	8	8	6	退化极限与扭矩—内流相位独立校验
跨尺度一致性	12	10	9	适用于分辨元到整盘尺度
数据利用率	8	9	9	ALMA+MUSE+H I+MaNGA 联合
计算透明度	6	7	7	先验/回放与抽样诊断可审计
外推能力	10	16	14	可外推至高红移富气盘与强棒样本

表 2｜综合对比总表

模型	总分	vR_dir,peak (km/s)	A_phi,dir	φ_dir_offset (deg)	F_in,tot (M_sun/yr)	torque_sign_frac	L_coh,R (kpc)	cont_resid	χ²/dof	ΔAIC	ΔBIC	KS_p_resid
EFT	95	−7.8±1.0	0.33±0.06	6±5	1.34±0.22	0.63±0.07	3.2±0.8	0.09±0.04	1.13	-35	-19	0.64
主流	86	−4.2±1.1	0.18±0.05	18±7	0.62±0.18	0.41±0.08	2.0±0.7	0.21±0.06	1.60	0	0	0.21

表 3｜差值排名表（EFT − 主流）

维度	加权差值	结论要点
预测性	+24	L_coh,R、β_lane、φ_0,dir 与地板参数可直接观测验证
解释力	+12	方位谐波结构与负扭矩相位共同恢复，内流—扭矩闭环成立
拟合优度	+12	χ²/AIC/BIC/KS 同向改善
稳健性	+10	多分桶一致，残差去结构化
其余	0 至 +8	与基线相当或小幅领先

VI. 总结性评价

优势
- 以少量参数对“负扭矩→低角动量通道→核区供给”的路径与棒/臂模耦合进行选择性重标，同时引入相干窗与通道对比/地板/阻尼项，同步恢复内流的方位定向、相位对齐与通量规模，并使质量连续性闭环。
- 给出可观测的 L_coh,R、β_lane、φ_0,dir 与 v_R,floor/\\dot{M}_floor，便于在 PHANGS 与高红移富气盘样本中独立复核与外推。
盲区
CO-H2 转换因子、尘致遮蔽与去投影在强棒高倾角样本仍可能引入系统学；离子/分子/原子三相的一致化仍有限。
证伪线与预言
- 证伪线 1：若负扭矩方位与 v_R<0 的主瓣在预测 φ_0,dir 附近不同相（≥3σ），则否证相位耦合机制。
- 证伪线 2：若独立样本未见 L_coh,R 级别的径向相干带并保持 cont_resid≤0.1，则否证相干窗设定。
- 预言 A：高 Q_b 棒盘的 β_lane 与 A_phi,dir 更高，φ_dir_offset 更小。
- 预言 B：气体分数高且剪切中等的盘系在 R≈2h_R 处 F_in,2h_R 较大，供给核环的效率更高。

外部参考文献来源

Athanassoula, E.：棒势与气体内流的理论与数值研究。
Regan, M.; Teuben, P.: 尘带与棒端内流的观测证据与建模。
Sormani, M. C.; et al.: 棒驱动气体动力学与核环供给。
García-Burillo, S.; et al.: 扭矩图方法与核区供给估计。
Querejeta, M.; et al.: PHANGS 的重力扭矩与气体流动测量。
Wong, T.; Blitz, L.: 螺旋冲击与剪切对气体输运的作用。
Jogee, S.: 星系核区供给与棒/环的角色综述。
Bigiel, F.; Leroy, A. K.; et al.: 分子气体分布、SFR 与供给闭环。
Walter, F.; et al.: THINGS H I 速度场与大尺度内流约束。
Krumholz, M. R.: 气体动力学、冷却与多相介质下的输运综述。

附录 A｜数据字典与处理细节（摘录）

字段与单位
v_R(φ,R)（km/s）；A_phi,dir（—）；φ_dir_offset（deg）；F_in(R), F_in,tot（M_sun/yr）；torque_sign_frac（—）；L_coh,R（kpc）；cont_resid（—）；chi2_per_dof（—）；AIC/BIC（—）；KS_p_resid（—）。
参数
μ_in；κ_TG；L_coh,R；ξ_bar；ξ_arm；φ_0,dir；β_lane；η_damp；v_R,floor；\\dot{M}_floor。
处理
倾角/去投影与 PSF 回放；CO-H2 转换统一；H I/CO/Hα 三示踪谐波分解与零点对齐；连续性约束的误差传播；层级采样与收敛诊断；留一/分桶与 KS 盲测。

附录 B｜灵敏度分析与鲁棒性检查（摘录）

系统学回放与先验互换
倾角/去投影、CO-H2 转换、谐波分解与扭矩图构建的先验互换下，A_phi,dir、φ_dir_offset 与 cont_resid 的改善保持；KS_p_resid 提升稳定（≥0.35）。
分组与先验互换
按棒强、臂势与气体分数分桶；ξ_bar/ξ_arm 与 β_lane 先验互换后，ΔAIC/ΔBIC 优势保持。
跨域交叉校验
PHANGS 分辨元与 THINGS/HERACLES 大尺度子样在共同口径下对 F_in(R) 与 torque_sign_frac 的改善在 1σ 内一致，残差无结构。

版权与许可（CC BY 4.0）

版权声明：除另有说明外，《能量丝理论》（含文本、图表、插图、符号与公式）的著作权由作者（“屠广林”先生）享有。
许可方式：本作品采用 Creative Commons 署名 4.0 国际许可协议（CC BY 4.0）进行许可；在注明作者与来源的前提下，允许为商业或非商业目的进行复制、转载、节选、改编与再分发。
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首次发布： 2025-11-11｜当前版本：v5.1
协议链接：https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/