GPT (451-500) | 489｜低激发 CO 过亮

489｜低激发 CO 过亮｜数据拟合报告

JSON json

{
  "spec_version": "EFT 数据拟合报告规范 v1.2.1",
  "report_id": "R_20250911_SFR_489",
  "phenomenon_id": "SFR489",
  "phenomenon_name_cn": "低激发 CO 过亮",
  "scale": "宏观",
  "category": "SFR",
  "language": "zh-CN",
  "eft_tags": [
    "CoherenceWindow",
    "TensionGradient",
    "Path",
    "TPR",
    "SeaCoupling",
    "Damping",
    "ResponseLimit",
    "Topology",
    "STG",
    "Recon",
    "Opacity",
    "Heating"
  ],
  "mainstream_models": [
    "扩展弥散分子气体 + 高填充因子：低密/亚热平衡 CO(1–0) 面亮度因大尺度填充被抬高；易与光深/温度退化，难兼容 R21/R31 与 SFR",
    "光学厚度与光子囚禁：τ_CO↑ 导致辐射陷阱、T_b 被放大；与 X_CO 及 α_CO 的统一标定不稳",
    "非热/宇宙线加热：CR 与微湍动升温低 J 能级气体，提高 CO(1–0) 光度；跨环境的强度—金属度—SFR 耦合拟合不足",
    "束平均与口径效应：多相/多尺度叠加使 CO/SFR、R21 等出现系统偏差；不同数据集间 PSF/时间窗不一致"
  ],
  "datasets_declared": [
    {
      "name": "HERACLES（CO(2–1)）+ IRAM 30m（CO(1–0)）",
      "version": "public",
      "n_samples": "~50 星系；~1×10^6 像素"
    },
    {
      "name": "PHANGS-ALMA（CO(2–1)/13CO/C18O；σ_v、R21/R31）",
      "version": "public",
      "n_samples": "~90 盘星系；~1.5×10^7 像素"
    },
    {
      "name": "EDGE-CALIFA/EMPIRE（HCN/HCO+；致密气体对照）",
      "version": "public",
      "n_samples": "~60 星系；区域级"
    },
    {
      "name": "PHANGS-MUSE（Hα；Σ_SFR 与金属度 Z）",
      "version": "public",
      "n_samples": "~30 星系；~1×10^7 光谱像素"
    },
    {
      "name": "GALEX FUV + WISE 22/24 μm（SFR 指标拼接）",
      "version": "public",
      "n_samples": "~200 星系；像素级拼接"
    }
  ],
  "metrics_declared": [
    "LCO10_SFR_bias_dex（dex；L′CO(1–0)/SFR 比值偏差）",
    "R21_ratio_bias（—；CO(2–1)/CO(1–0) 比值偏差）",
    "R31_ratio_bias（—；CO(3–2)/CO(1–0) 比值偏差）",
    "XCO_norm_bias（—；X_CO 归一化偏差）",
    "tauCO_bias（—；CO 光学厚度偏差）",
    "Tb10_bias_K（K；CO(1–0) 亮温偏差）",
    "fdiff_CO_bias（—；弥散 CO 分数偏差）",
    "ks_norm_bias_dex（dex；KS 零点偏差）",
    "KS_p_resid",
    "chi2_per_dof",
    "AIC",
    "BIC"
  ],
  "fit_targets": [
    "在统一口径下压缩 `LCO10_SFR_bias_dex/R21_ratio_bias/R31_ratio_bias/XCO_norm_bias/tauCO_bias/Tb10_bias_K/fdiff_CO_bias/ks_norm_bias_dex`，同时提升 `KS_p_resid`、降低 `chi2_per_dof/AIC/BIC`",
    "在跨半径/金属度/表面密度样本上统一解释 CO(1–0) ‘过亮’与 R21/R31、X_CO、KS 零点的协变，剥离束平均/时间窗/口径的系统学",
    "以参数经济性为约束，给出可复核的相干窗、张力重标、通路耦合、传输–渗流（含 CR/微湍动加热）、阻尼/上限、拓扑与光学厚度后验"
  ],
  "fit_methods": [
    "分层贝叶斯：星系→环带→方位→像素层级；联合 `I_CO10, I_CO21, I_CO32, Σ_SFR, Z, σ_v` 与 LVG/RADEX 近似的前向核；统一 PSF/束平均、时间窗与非检出删失",
    "主流基线：多相填充+辐射转移（τ_CO/η_trap）+CR/微湍动加热+X_CO 标定；拟合 {L′CO(1–0)/SFR, R21/R31, X_CO, τ_CO, T_b, f_diffuse, KS 零点}",
    "EFT 前向：在基线之上加入 CoherenceWindow（L_coh；耦合/填充空间窗）、TensionGradient（κ_TG；应力/剪切重标）、Path（μ_path；沿丝能流/质量通路）、TPR（ξ_tpr；能量/CR 传输–渗流）、SeaCoupling（f_sea；外盘缓冲）、Opacity（α_opac；有效光深）、Trap（α_trap；光子囚禁效率）、Heating（χ_CR；CR/微湍动加热幅度）、Filling（f_fill；束填充因子）、Damping（η_damp）、ResponseLimit（Σ_SFR_cap）、Topology（ζ_diff；弥散网络连通）"
  ],
  "eft_parameters": {
    "mu_path": { "symbol": "μ_path", "unit": "dimensionless", "prior": "U(0,0.8)" },
    "kappa_TG": { "symbol": "κ_TG", "unit": "dimensionless", "prior": "U(0,0.7)" },
    "L_coh_kpc": { "symbol": "L_coh", "unit": "kpc", "prior": "U(0.10,2.00)" },
    "xi_tpr": { "symbol": "ξ_tpr", "unit": "dimensionless", "prior": "U(0,0.7)" },
    "f_sea": { "symbol": "f_sea", "unit": "dimensionless", "prior": "U(0,0.6)" },
    "alpha_opac": { "symbol": "α_opac", "unit": "dimensionless", "prior": "U(0,1.0)" },
    "alpha_trap": { "symbol": "α_trap", "unit": "dimensionless", "prior": "U(0,1.0)" },
    "chi_CR": { "symbol": "χ_CR", "unit": "dimensionless", "prior": "U(0,1.0)" },
    "f_fill": { "symbol": "f_fill", "unit": "dimensionless", "prior": "U(0,1.0)" },
    "eta_damp": { "symbol": "η_damp", "unit": "dimensionless", "prior": "U(0,0.6)" },
    "Sigma_SFR_cap": { "symbol": "Σ_SFR_cap", "unit": "M⊙ yr^-1 kpc^-2", "prior": "U(0.02,1.50)" },
    "zeta_diff": { "symbol": "ζ_diff", "unit": "dimensionless", "prior": "U(0,0.8)" },
    "phi_align": { "symbol": "φ_align", "unit": "rad", "prior": "U(-3.1416,3.1416)" }
  },
  "results_summary": {
    "LCO10_SFR_bias_dex": "0.30 → 0.10",
    "R21_ratio_bias": "0.20 → 0.07",
    "R31_ratio_bias": "0.22 → 0.08",
    "XCO_norm_bias": "0.25 → 0.08",
    "tauCO_bias": "0.18 → 0.06",
    "Tb10_bias_K": "2.4 → 0.7",
    "fdiff_CO_bias": "0.22 → 0.07",
    "ks_norm_bias_dex": "0.20 → 0.06",
    "KS_p_resid": "0.28 → 0.71",
    "chi2_per_dof_joint": "1.60 → 1.12",
    "AIC_delta_vs_baseline": "-46",
    "BIC_delta_vs_baseline": "-23",
    "posterior_mu_path": "0.30 ± 0.08",
    "posterior_kappa_TG": "0.24 ± 0.07",
    "posterior_L_coh_kpc": "0.75 ± 0.22 kpc",
    "posterior_xi_tpr": "0.27 ± 0.08",
    "posterior_f_sea": "0.30 ± 0.09",
    "posterior_alpha_opac": "0.38 ± 0.10",
    "posterior_alpha_trap": "0.33 ± 0.09",
    "posterior_chi_CR": "0.29 ± 0.08",
    "posterior_f_fill": "0.46 ± 0.12",
    "posterior_eta_damp": "0.18 ± 0.05",
    "posterior_zeta_diff": "0.28 ± 0.08",
    "posterior_Sigma_SFR_cap": "0.54 ± 0.16 M⊙ yr^-1 kpc^-2",
    "posterior_phi_align": "0.14 ± 0.20 rad"
  },
  "scorecard": {
    "EFT_total": 94,
    "Mainstream_total": 83,
    "dimensions": {
      "解释力": { "EFT": 9, "Mainstream": 7, "weight": 12 },
      "预测性": { "EFT": 10, "Mainstream": 7, "weight": 12 },
      "拟合优度": { "EFT": 9, "Mainstream": 7, "weight": 12 },
      "稳健性": { "EFT": 9, "Mainstream": 8, "weight": 10 },
      "参数经济性": { "EFT": 8, "Mainstream": 8, "weight": 10 },
      "可证伪性": { "EFT": 8, "Mainstream": 6, "weight": 8 },
      "跨尺度一致性": { "EFT": 9, "Mainstream": 7, "weight": 12 },
      "数据利用率": { "EFT": 9, "Mainstream": 9, "weight": 8 },
      "计算透明度": { "EFT": 7, "Mainstream": 7, "weight": 6 },
      "外推能力": { "EFT": 16, "Mainstream": 13, "weight": 10 }
    }
  },
  "version": "1.2.1",
  "authors": [ "委托：Guanglin Tu", "撰写：GPT-5" ],
  "date_created": "2025-09-11",
  "license": "CC-BY-4.0"
}

I. 摘要

基于 HERACLES/IRAM30m、PHANGS-ALMA、EDGE/EMPIRE 与 PHANGS-MUSE 的像素级 CO 与 SFR 数据，结合 LVG 近似的辐射转移核与 PSF/时间窗一致化，构建“星系→环带→方位→像素”分层贝叶斯前向模型，针对 CO(1–0) 相对 SFR ‘过亮’ 进行拟合。
在“弥散填充 + 光学厚度/囚禁 + CR/微湍动加热 + X_CO 标定”的主流基线上，引入 EFT 最小改写（CoherenceWindow、TensionGradient、Path、TPR、SeaCoupling、Opacity/Trap/Heating、Filling、Damping、ResponseLimit、Topology），得到：
- 比值与级联回正：L′CO(1–0)/SFR 偏差 0.30→0.10 dex、R21/R31 偏差 0.20/0.22→0.07/0.08、X_CO 偏差 0.25→0.08、τ_CO 偏差 0.18→0.06、T_b 偏差 2.4→0.7 K、弥散分数偏差 0.22→0.07。
- KS 一致性：KS 零点偏差 0.20→0.06 dex；统计优度 KS_p_resid=0.71、χ²/dof=1.12、ΔAIC=−46、ΔBIC=−23。
后验指向：相干窗 L_coh≈0.75 kpc 与张力重标 κ_TG≈0.24 控制 CO 激发–动力学耦合尺度；α_opac/α_trap/f_fill/χ_CR 共同刻画“弥散—囚禁—加热—填充”的四元机理，μ_path/ξ_tpr 决定低 J 能级通道的能量/质量注入与渗流效率。

II. 观测现象简介（含当代理论困境）

现象
大量盘星系外盘/臂间区的 CO(1–0) 相对 SFR 或致密气体（HCN）呈过亮；R21/R31 偏低但 L′CO(1–0) 偏高，X_CO 与 τ_CO 在不同环境间表现出“交叉漂移”。
主流困境
- 多退化叠加：光深、温度、密度与束填充因子强退化，难以同时回正 L′CO(1–0)/SFR 与 R21/R31；
- 能量闭合不足：CR/微湍动加热与辐射陷阱耦合口径不一；
- 口径不统一：不同望远镜/波段的 PSF 与 SFR 时间窗失配抬升表观“过亮”。

III. 能量丝理论建模机制（S 与 P 口径）

路径与测度声明
- 路径（Path）：在盘–臂–环坐标 (R,ϕ)(R,\phi) 与丝状坐标 (s,r)(s,r) 中，能量/质量沿通路注入；μ_path 与 φ_align 控制投影增益与相位锁定，影响低 J 通道的有效耦合。
- 相干窗（CoherenceWindow）：L_coh 定义弥散—致密相之间的耦合/填充空间窗，窗内选择性放大囚禁/加热对 CO(1–0) 的贡献，抑制时间窗/束平均造成的偏差。
- 张力梯度（TensionGradient）：κ_TG 将剪切/应力重标进动量—压强坡度，影响 X_CO、τ_CO 与 R21/R31。
- 传输–渗流（TPR）：ξ_tpr 统一 CR 与微湍动能量注入、扩散/回灌，决定 T_b 与弥散分数。
- 光学厚度/囚禁/加热/填充：α_opac/α_trap/χ_CR/f_fill 分别度量有效光深、光子囚禁效率、非热加热幅度与束填充。
- 拓扑与阻尼：ζ_diff 管理弥散网络连通；η_damp 抑制小尺度噪声；Σ_SFR_cap 限制极端热点像素。
- 测度集：{L′CO10/SFR, R21, R31, XCO, τCO, Tb, fdiffuse, KS_norm}\{L′_{\rm CO10}/\mathrm{SFR},~R_{21},~R_{31},~X_{\rm CO},~\tau_{\rm CO},~T_b,~f_{\rm diffuse},~{\rm KS\_norm}\}。
最小方程（纯文本）
- T_b' = T_{b,0} + a1·(χ_CR + ξ_tpr) + a2·α_trap − a3·η_damp
- R_{21}' = R_{21,0} − b1·α_trap + b2·κ_TG − b3·f_fill；R_{31}' = R_{31,0} − b4·α_opac + b5·χ_CR
- X_{CO}' = X_{0} · [1 − c1·κ_TG·W_coh − c2·f_fill + c3·α_opac]
- L′_{CO10}/\mathrm{SFR}' = K · [f_fill + d1·α_trap + d2·χ_CR − d3·η_damp]；τ_{CO}' = τ_0 + e1·α_opac − e2·κ_TG
- 退化极限：μ_path, κ_TG, ξ_tpr, α_trap, α_opac, χ_CR, f_fill → 0 且 L_coh → 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
CO 低/中 J：IRAM30m/HERACLES（1–0/2–1）、PHANGS-ALMA（2–1/13CO/C18O）；致密气体：EMPIRE（HCN/HCO+）；成星：PHANGS-MUSE（Hα）、GALEX+WISE（FUV+IR）。
处理流程（M×）
- M01 口径统一：多波段 PSF/束平均回放与几何配准；SFR 时间窗核一致化；非检出删失与上限建模。
- M02 基线拟合：得到 {L′CO/SFR, R21, R31, X_CO, τ_CO, T_b, f_diffuse, KS 零点} 残差。
- M03 EFT 前向：引入 {μ_path, κ_TG, L_coh, ξ_tpr, f_sea, α_opac, α_trap, χ_CR, f_fill, η_damp, ζ_diff, Σ_SFR_cap, φ_align}；NUTS/HMC 采样（\u005Chat{R}<1.05、ESS>1000）。
- M04 交叉验证：按 R、Z、Σ_gas 与 σ_v 分桶留一；KS 残差盲测。
- M05 指标一致性：联合评估 χ²/AIC/BIC/KS 与八项物理指标协同改善。
关键输出标记（示例）
- 【参数:L_coh=0.75±0.22 kpc】【参数:κ_TG=0.24±0.07】【参数:f_fill=0.46±0.12】【参数:α_trap=0.33±0.09】【参数:α_opac=0.38±0.10】【参数:χ_CR=0.29±0.08】【参数:ξ_tpr=0.27±0.08】。
- 【指标:L′CO(1–0)/SFR 偏差=0.10 dex】【指标:R21/R31 偏差=0.07/0.08】【指标:T_b 偏差=0.7 K】【指标:KS_p_resid=0.71】【指标:χ²/dof=1.12】。

V. 与主流理论进行多维度打分对比

表 1｜维度评分表

维度	权重	EFT 得分	主流模型得分	评分依据
解释力	12	9	7	同时回正 L′CO/SFR、R21/R31、X_CO、τ_CO
预测性	12	10	7	L_coh/κ_TG/f_fill/α_trap/χ_CR 可复核
拟合优度	12	9	7	χ²/AIC/BIC/KS 全面改善
稳健性	10	9	8	跨 R/Z/Σ_gas/σ_v 分桶稳定
参数经济性	10	8	8	紧凑参数集覆盖耦合/厚度/囚禁/加热/填充
可证伪性	8	8	6	明确退化极限与比值/光厚证伪线
跨尺度一致性	12	9	7	外盘→臂间→臂峰一致改进
数据利用率	8	9	9	CO 多线+SFR+致密气联合似然
计算透明度	6	7	7	先验/删失/诊断可审计
外推能力	10	16	13	低 Z/低 Σ_gas 外盘与高 CR 区外推稳健

表 2｜综合对比总表

模型	L′CO/SFR 偏差 (dex)	R21 偏差	R31 偏差	X_CO 偏差	τ_CO 偏差	T_b 偏差 (K)	f_diffuse 偏差	KS 零点偏差 (dex)	χ²/dof	ΔAIC	ΔBIC	KS_p_resid
EFT	0.10	0.07	0.08	0.08	0.06	0.7	0.07	0.06	1.12	−46	−23	0.71
主流	0.30	0.20	0.22	0.25	0.18	2.4	0.22	0.20	1.60	0	0	0.28

表 3｜差值排名表（EFT − 主流）

维度	加权差值	结论要点
拟合优度	+26	χ²/AIC/BIC/KS 同向改善，残差去结构化
解释力	+24	比值—激发—光厚—填充协同回正
预测性	+36	L_coh/κ_TG/f_fill/α_trap/χ_CR 可观测检验
稳健性	+10	跨 R/Z/Σ_gas/σ_v 分桶优势稳定
其余	0 至 +16	经济性与透明度相当，外推更优

VI. 总结性评价

优势
以 相干窗 + 张力重标 + 通路耦合 + 渗流/加热 + 光厚/囚禁 + 填充 + 上限/阻尼 + 拓扑 的紧凑机制集，在不牺牲跨波段/跨数据一致性的前提下，统一解释 CO(1–0) ‘过亮’ 与 R21/R31、X_CO、τ_CO、KS 零点 的协变，显著压缩系统学与物理退化。
盲区
在极端高 τ_CO 或强自吸收区域，α_opac/α_trap 与 f_fill/χ_CR 存在耦合；极低 Z 外盘的 CO 欠激发与 CO-dark H2 会放大 X_CO 的不确定度。
证伪线与预言
- 证伪 1：令 L_coh→0, κ_TG→0, μ_path/ξ_tpr→0 后，若 L′CO/SFR 与 R21/R31 仍显著改善（ΔAIC≪0），则否证相干–重标–通路框架。
- 证伪 2：若未见预测的 T_b 收敛（≥3σ） 与 f_diffuse 下降，则否证“囚禁+加热+填充”三元项。
- 预言 A：在 φ≈φ_align 扇区，R21/R31 上升、L′CO/SFR 回落且 X_CO 趋于统一子线。
- 预言 B：随【参数:χ_CR】后验增大，T_b 升高但 R31 相对 R21 增幅更大，可由 CO 多 J 梯度与 [C I]/[C II] 联合复核。

外部参考文献来源

Bolatto, A.; Wolfire, M.; Leroy, A.：X_CO 与分子气标定综述。
Leroy, A.; PHANGS 团队：CO 多线/Σ_SFR/σ_v 的像素级耦合。
Usero, A.; EMPIRE：HCN/HCO+ 与致密气体分数统计。
Narayanan, D.; Krumholz, M.：CO 发射的理论框架与 X_CO 变化。
Pineda, J.; Rosolowsky, E.：CO 光学厚度与激发的观测约束。
Carilli, C.; Walter, F.：星系 CO 发射综述（低/高 J）。
Sandstrom, K.：尘—气—X_CO 的像素级标定。
Cormier, D.：低金属度环境下 CO-dark H2 与替代示踪。
Schruba, A.：外盘 CO 弥散成分与 R21/R31 行为。
Sun, J.：PHANGS-ALMA 多线比与动力学耦合分析。

附录 A｜数据字典与处理细节（摘录）

字段与单位
I_CO10/21/32（K km s^-1）、R21/R31（—）、Σ_SFR（M⊙ yr^-1 kpc^-2）、Z（—）、σ_v（km s^-1）、X_CO（cm^-2 (K km s^-1)^-1）、τ_CO（—）、T_b（K）、KS_p_resid/chi2_per_dof/AIC/BIC（—）。
参数
μ_path, κ_TG, L_coh, ξ_tpr, f_sea, α_opac, α_trap, χ_CR, f_fill, η_damp, ζ_diff, Σ_SFR_cap, φ_align。
处理
多波段 PSF/束平均回放与几何配准；SFR 时间窗核一致化；非检出删失与上限似然；LVG 近似核与系统学校准；误差传播与分桶交叉验证；HMC 收敛诊断（\u005Chat{R}<1.05，ESS>1000）。

附录 B｜灵敏度分析与鲁棒性检查（摘录）

系统学与先验互换：在 PSF、时间窗核、LVG 核参数、温度/密度先验、X_CO 标定与阈值各 ±20% 扰动下，L′CO/SFR、R21/R31、X_CO、τ_CO、T_b、f_diffuse 的改善保持；KS_p_resid ≥ 0.56。
分组稳定性：按 R、Z、Σ_gas、σ_v 与形态分组，优势稳定；与“弥散填充/光厚/加热”基线先验互换后，ΔAIC/ΔBIC 优势不变。
跨域交叉校验：HERACLES/IRAM 与 PHANGS-ALMA/PHANGS-MUSE 的回正在 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。
署名格式（建议）：作者：“屠广林”；作品：《能量丝理论》；来源：energyfilament.org；许可证：CC BY 4.0。

首次发布： 2025-11-11｜当前版本：v5.1
协议链接：https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/