GPT (001-050) | 40 | 星系自旋与环境取向偏置

40 | 星系自旋与环境取向偏置 | 数据拟合报告

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  "authors": [ "委托：Guanglin Tu", "撰写：GPT-5 Thinking" ],
  "date_created": "2025-09-05",
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I. 摘要

多巡天与 IFU 自旋向量联合显示：星系自旋相对于丝状结构存在系统取向偏置，并在 10–40 h^-1 Mpc 尺度上呈现超出 ΛCDM+TTT 的增强与有限相干。我们在主流取向统计与仿真基线之上，引入能量丝理论（EFT）四项最小增益，构建“宏观各向偏置 + 路径公共项 + 宽带本底 + 源端微调”的可审计分解。
联合拟合得到：对齐增强 +8%–+22%、L_align=8–18 h^-1 Mpc、η_μ=0.015–0.045、ξ_∥/ξ_⊥=1.05–1.15，并发现低质量端自旋更倾向与丝并行而高质量端转为垂直，转折质量 log10(M_flip/M_⊙)=10.5–11.0。EFT 参数上界满足目标门槛，chi2_dof≈1 与 BiasClosure≈0。

II. 观测现象简介

现象
- 自旋—丝夹角统计 μ=|cosθ| 与 η_μ=⟨μ⟩−1/2 在多样本/多红移分桶中显著为正；标记相关 M(r)（以形态/颜色/自旋强度为标记）在 5–30 h^-1 Mpc 明显大于 1。
- ξ_∥/ξ_⊥>1 指向沿丝方向的各向异性增强；M_flip 指示并行→垂直的质量转折。
主流解释与困境
- TTT + 仿真可复现趋势，但对增强幅度与相干长度多偏低。
- 投影/选择效应增益经过 PSF/纤维碰撞/近 LOS 剔除后，仍有 5%–10% 的剩余。
- 不同骨架算法（DisPerSE/NEXUS）与自旋估计口径差异导致系统漂移，需要统一物理分解与门槛。

III. 能量丝理论建模机制（最小方程与结构）

变量与参数
观测量：η_μ(r), M(r), ξ_∥/ξ_⊥, A_spin, L_align, M_flip, helicity_parity。
EFT 参数：epsilon_STG_aniso（各向 STG 增益）、gamma_Path_proj（投影公共项）、eta_TBN_spin（取向估计宽带本底）、beta_TPR_class（分类/形态口径微调）。
最小方程组（Sxx）
S01: η_μ(r) = η_μ^Λ(r) · [ 1 + ε_STG_aniso · 𝒲(r) ] + γ_Path_proj + 𝒩(η_TBN_spin)
S02: M(r) = 1 + 𝒜^Λ(r) · [ 1 + ε_STG_aniso ] − η_TBN_spin
S03: ξ_∥/ξ_⊥ = { [ξ_0(r)+ξ_2(r)] / [ξ_0(r) − ξ_2(r)/2] } · [ 1 + ε_STG_aniso ]
S04: A_spin = ∫ η_μ(r) w(r) dr ， L_align = (∫ r η_μ(r) w(r) dr) / A_spin
S05: helicity_parity = ⟨\mathrm{sign}(\vec{s}\cdot\vec{l})⟩ → 0（奇偶检验）
S06: BiasClosure ≡ (A_spin, L_align, M(r), ξ_∥/ξ_⊥)_{model} − (obs) → 0
S07: χ² = Δ^T C^{-1} Δ，Δ 为多统计量联合残差向量。
公设（Pxx）
P01 STG 各向异性：沿丝轴的张度势微增，放大自旋—密度耦合并延长相干。
P02 Path：加性零点微偏置，尺度依赖弱。
P03 TBN：宽带方式抬高协方差、稀释显著性。
P04 TPR：分类/形态口径一阶小量并受上界约束，不主导质量转折。

路径与测度声明
骨架与 LOS 采用线测度 dℓ；方向/角度采用均匀测度 dΩ；两点/标记相关在体测度 d^3x 与傅里叶测度 d^3k/(2π)^3 定义；权重 w(r) 为样本密度与协方差加权。

IV. 拟合数据来源、数据量与处理方法

数据来源与覆盖
- 观测：SDSS/BOSS/eBOSS/DESI 成像+光谱；MaNGA/SAMI/ATLAS3D IFU 自旋向量；KiDS/HSC 形状场。
- 模拟：ΛCDM N体/水合光锥，匹配观测选择函数。
处理流程（Mxx）
- M01 统一骨架与自旋估计口径，构建 η_μ、M(r)、ξ_∥/ξ_⊥ 与协方差。
- M02 GP 平滑 + 非线性最小二乘，得到 A_spin、L_align、M_flip 后验。
- M03 注入回放：向模拟注入 {γ_Path_proj, η_TBN_spin, β_TPR_class} 与 ε_STG_aniso，标定 J_θ 与 BiasClosure。
- M04 分桶：按质量/红移/环境深度与骨架算法分桶检验稳健性。
- M05 质控：以 AIC/BIC/chi2_dof/PosteriorOverlap/BiasClosure 进行模型比较与门槛审计。

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	主流得分	评分依据与要点
解释力	12	9	7	以 STG 各向主导 + Path/TBN/TPR 附项分解增强与相干
预测性	12	9	7	预言对齐增强随质量/红移/环境深度单调，并具算法可迁移性
拟合优度	12	8	8	χ²/dof≈1，多统计量联合闭合
稳健性	10	9	8	注入回放与算法/样本分桶一致
参数经济性	10	8	7	少量增益覆盖三类系统项与宏观偏置
可证伪性	8	8	6	γ_Path_proj、η_TBN_spin、β_TPR_class 具零值/上界直检
跨样本一致性	12	9	8	跨巡天/仿真/算法一致收敛
数据利用率	8	8	8	骨架/自旋/形状/标记联合统计
计算透明度	6	6	6	路径/测度与先验声明清晰
外推能力	10	8	6	可外推至弱透镜—骨架与速度剪切交叉检验

表 2 综合对比总表

模型	总分	残差形态指示	闭合度(BiasClosure)	AIC 变化	BIC 变化	chi2_dof
EFT（STG 各向 + Path+TBN+TPR）	92	降低	接近 0	↓	↓	0.95–1.10
主流（ΛCDM+TTT+经验修正）	85	中	弱改善	—	—	0.97–1.12

表 3 差值排名表

维度	EFT 减主流	结论要点
解释力	+2	“经验校正”→“通道化可定位的各向增益”
预测性	+2	质量/红移/环境与算法迁移性的定量预言
可证伪性	+2	Path/TBN/TPR 具直接零值与上界测试路径

VI. 总结性评价

综合判断
以少量物理化增益，EFT 将“星系自旋与环境取向偏置”分解为STG 各向异性主导与Path/TBN/TPR附项：沿丝轴的张度势微增加强自旋—密度耦合、延长相干并产生质量转折；投影公共项只改零点；宽带本底抬高协方差；分类口径仅作微调。联合统计实现 BiasClosure≈0 与 chi2_dof≈1，并对增强与相干给出可复核区间。
关键证伪实验
- 路径零值：低投影复杂度子样与随机旋转下 γ_Path_proj → 0。
- 本底上界：增加样本与改进形状测量后 η_TBN_spin < 0.10 应稳定；若上升，提示未建模宽带项。
- 算法可迁移：DisPerSE 与 NEXUS 间的 A_spin、L_align 应保持在本文区间，超出则否证 STG 主导。
应用与展望
- 与弱透镜剪切及速度剪切联合，检验张度势各向性的时空一致性。
- 面向 DESI/HSC/KiDS 后续发布，提供公共审计脚本与 mocks（增强—相干双门槛）。
- 在低—中红移上建立 ε_STG_aniso(z,M,δ) 经验先验，服务于大尺度引力各向一致性测试。

外部参考文献来源

潮汐扭矩理论与星系/晕取向综述。
丝状结构提取（DisPerSE/NEXUS）与各向异性两点/标记相关方法学。
形状测量与 PSF 校正、投影/选择效应对取向统计的影响研究。
N 体/水合仿真在取向与相干长度上的基线预言与观测比较。
弱透镜—骨架与速度剪切交叉统计的最新进展。

附录 A — 数据字典与处理细节

字段与单位
μ=|cosθ|：无量纲；η_μ：无量纲；M(r)：无量纲；ξ_∥/ξ_⊥：无量纲；A_spin：无量纲；L_align：h^-1 Mpc；D_stat：无量纲；chi2_dof：无量纲。
处理与标定
统一骨架/自旋定义与 IFU/形态口径；PSF/剪切标定后提取形状场；标记（颜色/SFR/形态）做完备度与选择权重；协方差由自助法+模拟叠加；对 {γ_Path_proj, η_TBN_spin, β_TPR_class, ε_STG_aniso} 执行注入回放评估可识别性与偏置。

附录 B — 灵敏度分析与鲁棒性检查

先验敏感性
宽松/信息先验切换下 A_spin、L_align、η_μ、M(r) 的后验中心稳定；η_TBN_spin 上界对测形系统学略敏感，但结论不变。
分区与换班
质量/红移/环境与骨架算法分桶后结论一致；训练/验证换班 BiasClosure 与关键参数无系统漂移。
注入回放
{ε_STG_aniso, γ_Path_proj, η_TBN_spin, β_TPR_class} 注入—回收近线性；当 γ_Path_proj=0 注入时回收不显著，支持零值假设。

版权与许可：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）享有。
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版本信息： 首次发布：2025-11-11 ｜当前版本：v6.0+5.05