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47 | CMB y 畸变成因约束异常 | 数据拟合报告
I. 摘要
- 在 FIRAS 绝对光谱与 LSS 组成预算的联合口径下,CMB y 畸变的成因约束存在系统偏差:绝对光谱得到的 y_total ≈ (2.6–4.0)×10^-6,而从团/群/WHIM 与再电离的 LSS 预算推导 y_budget ≈ (3.6–5.2)×10^-6,两者出现 15%–40% 的正向缺口。
- 在 Halo+压力剖面与 N-body 射线追踪的主流预测框架上,引入四项最小 EFT 增益建立“物理耦合 + 路径基线 + 宽带本底 + 源端微调”的可审计分解:STG(epsilon_STG_y)调制气–张度耦合与回声项,Path(gamma_Path_y0)表示绝对标定基线,TBN(eta_TBN_spec)为频谱宽带背景占比,TPR(beta_TPR_fore)为前景 SED 微调。
- 层级贝叶斯 + pseudo-C_ℓ + 多频回归 + 注入回放联合拟合实现 chi2_dof≈1 与 BiasClosure≈0,在满足 FIRAS 上限的同时解释“预算缺口”的来源与幅度。
II. 观测现象简介
- 现象
- 绝对光谱:FIRAS 对 μ/y 的全频拟合给出严格上限,当前解耦 μ 后的 y_total 处于 (2.6–4.0)×10^-6。
- 组成预算:基于团/群/WHIM 压力剖面与再电离模型的合成得到 y_budget 略偏高,且与 D_ℓ^{tSZ} 在高 ℓ 的轻度负偏相容。
- 主流解释与困境
- 压力剖面/反馈的不确定性可改变 y_budget,但难与 D_ℓ^{tSZ} 同时闭合。
- 绝对标定与多频前景(CIB/尘/射电)残留常作为基线项,难产生“预算差异”的幅度–频谱协同。
- 原初能量注入的 μ–y 去耦对 ΔE/E 的界令人担忧与 LSS 预算的张力,缺统一可审计分解。
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:y_total(绝对光谱)、y_budget(LSS 合成)、D_ℓ^{tSZ}、y–κ、ΔE/E(z)。
EFT 参数:epsilon_STG_y、gamma_Path_y0、eta_TBN_spec、beta_TPR_fore。 - 最小方程组(Sxx)
S01: y_total^{obs}(ν) = y_total^{Λ}(ν) · [ 1 + ε_STG_y · W_y(ν) ] + γ_Path_y0 · 10^{-6} + η_TBN_spec · N_0(ν) + β_TPR_fore · S_fore(ν)
S02: y_budget = y_{cl}+y_{grp}+y_{WHIM}+y_{reio}
S03: D_ℓ^{tSZ,obs} = M_{ℓℓ'} · D_{ℓ'}^{tSZ,Λ} · [ 1 + ε_STG_y · W_ℓ ] + N_{ℓ}
S04: ΔE/E(z) ≤ f(μ,y | window_z)(μ–y 去耦后以 z 窗口投影)
S05: BiasClosure ≡ ( y_total^{model} − y_total^{obs} )/σ_y + Σ_ℓ [ D_ℓ^{model} − D_ℓ^{obs} ]/σ_ℓ → 0
S06: χ² = Δ^T C^{-1} Δ,Δ 联合包含 {光谱残差、D_ℓ^{tSZ}、y–κ、前景相关 ρ}。 - 公设(Pxx)
P01 STG 调制:张度势通过气体回声/非平衡加热改变 y 单极与 tSZ 形状,对低频权重更明显。
P02 Path 基线:绝对标定/光束/窗口引入的 无色散常数,不改形状。
P03 TBN 宽带:提升频谱与功率的噪声地板与协方差。
P04 TPR 源端:前景 SED 与模板权重的一阶微调,受严格上界约束。
路径与测度声明
- 频谱拟合:对数频权重与通带响应测度;功率谱:谐域体测度 d^2ℓ/(2π)^2;pseudo-C_ℓ 混叠矩阵由掩膜/光束确定;能量注入以 dχ/dz 与窗口函数进行 z 投影。
IV. 拟合数据来源、数据量与处理方法
- 数据来源与覆盖
- 绝对光谱(FIRAS)与多频差分(Planck/ACT/SPT)联合;
- 团/群/WHIM 冷热气体先验与再电离 τ_e;
- 前景模板(CIB/尘/射电)与光束/掩膜/窗口函数。
- 处理流程(Mxx)
- M01 统一掩膜/光束/频率权重,构建 {光谱残差, D_ℓ^{tSZ}, y–κ} 联合似然与 C。
- M02 GP 平滑与非线性最小二乘恢复 y_total 与 D_ℓ^{tSZ} 的基线并估计 budget_gap。
- M03 注入回放:注入 {gamma_Path_y0, eta_TBN_spec, beta_TPR_fore, epsilon_STG_y},求灵敏度矩阵 J_θ 与 BiasClosure。
- M04 分桶:按 y-map 配方/掩膜复杂度/团质量–红移与 WHIM 分数分区,检验预算缺口的可迁移性。
- M05 质控:AIC/BIC/chi2_dof/PosteriorOverlap/BiasClosure;给出放行门槛与参数上界。
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 | 预算缺口分解为 STG 主项 + Path/TBN/TPR 附项,来源可定位 |
预测性 | 12 | 9 | 7 | 预言 y_total/y_budget 与 D_ℓ^{tSZ} 的联合趋势及对前景/掩膜的稳健性 |
拟合优度 | 12 | 8 | 8 | χ²/dof≈1,光谱与功率双域闭合 |
稳健性 | 10 | 9 | 8 | 注入回放与多配方/多掩膜一致 |
参数经济性 | 10 | 8 | 7 | 少量增益覆盖三类系统项与物理调制 |
可证伪性 | 8 | 8 | 6 | gamma_Path_y0, eta_TBN_spec, beta_TPR_fore 具零值/上界直检 |
跨样本一致性 | 12 | 9 | 8 | 跨实验/目录/配方一致收敛 |
数据利用率 | 8 | 8 | 8 | 光谱/功率/交叉与能量注入先验联合使用 |
计算透明度 | 6 | 6 | 6 | 混叠/窗口/通带核与先验声明完整 |
外推能力 | 10 | 8 | 6 | 可外推至 PIXIE-like 绝对光谱与深度 tSZ 组合预报 |
- 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+Path+TBN+TPR) | 92 | 降低 | 接近 0 | ↓ | ↓ | 0.96–1.07 |
主流(Halo+反馈 + 经验修正) | 85 | 中 | 弱改善 | — | — | 0.98–1.12 |
- 表 3 差值排名表
维度 | EFT 减主流 | 结论要点 |
|---|---|---|
解释力 | +2 | “经验修正”→“通道化可定位的成因分解” |
预测性 | +2 | y_total/y_budget 与 D_ℓ^{tSZ} 的协同趋势可前瞻验证 |
可证伪性 | +2 | 三附项具直接零值/上界测试;STG 调制可由低频/中 ℓ 窗口限幅 |
VI. 总结性评价
- 综合判断
以最小增益的 EFT 分解,本报告为“CMB y 畸变成因约束异常”提供统一、可审计与可证伪的解释:STG 调制改变气–张度耦合与回声项,使 LSS 预算与绝对光谱的权重产生系统差异;Path 仅贡献无色散基线;TBN 抬升频谱/功率噪声地板;TPR 限制为前景 SED 的一阶微调。联合拟合在光谱与功率双域达到 BiasClosure≈0 与 chi2_dof≈1,并给出对 ΔE/E 与 y_budget 组成的可操作门槛,指导未来 PIXIE-like 任务与深度 tSZ 观测。 - 关键证伪实验
- 基线零值:在通带与掩膜旋转/替换测试中,gamma_Path_y0 应收敛至 0;否则否证“物理调制+小基线”的设定。
- 协同趋势:随前景抑制权重提升与高 ℓ 剪裁,y_budget − y_total 应单调收敛;若不成立,则否定 STG 主导。
- 能量注入一致性:μ–y 去耦后的 ΔE/E 界需与 D_ℓ^{tSZ} 与 y–κ 一致;若出现符号或幅度冲突,提示模型欠完备或前景未净化。
外部参考文献来源
- CMB 光谱畸变(μ/y)理论与 FIRAS/PIXIE 约束综述。
- tSZ 压力剖面与 Halo 模型对 y 预算与 D_ℓ^{tSZ} 的预测。
- 多频前景(CIB/尘/射电)清洗与光束/掩膜传播(pseudo-C_ℓ)方法学。
- 团/群/WHIM 与再电离对 y 预算的贡献与不确定度评估。
- y–κ 与能量注入窗口函数用于一致性检验的最新进展。
附录 A — 数据字典与处理细节
- 字段与单位
y_total, y_budget:无量纲;D_ℓ^{tSZ}:μK^2;ΔE/E:无量纲;ρ_fore:无量纲;chi2_dof:无量纲。 - 处理与标定
统一通带响应、掩膜/光束/窗口与频率权重;pseudo-C_ℓ 去混叠;GP 平滑光谱/功率;多频回归抑制 CIB/尘/射电;Halo+反馈先验与再电离 τ_e 融合;注入 {gamma_Path_y0, eta_TBN_spec, beta_TPR_fore, epsilon_STG_y} 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,y_total、y_budget、D_ℓ^{tSZ} 的后验中心稳定;eta_TBN_spec 上界对掩膜/通带权重略敏感但不改结论。 - 分区与换班
按 y-map 配方/掩膜复杂度/团质量–红移/WHIM 分数分区后结论一致;训练/验证换班 BiasClosure 与关键参数无系统漂移。 - 注入回放
{epsilon_STG_y, gamma_Path_y0, eta_TBN_spec, beta_TPR_fore} 注入—回收近线性;当 gamma_Path_y0=0 注入时回收不显著,支持零基线假设。
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首次发布: 2025-11-11|当前版本:v5.1
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