跳到主要内容
Sandbox Physics
从遥远的光走到星系计数

L2 · 光、图像与筛选

从入选的二十六个源,怎样推回一类星系的数量

筛选会漏掉源,噪声也会把它们推到别的亮度箱。要由留下的计数研究总体,先计算每一种本征源会怎样进入测量箱,再把这个响应作用到假设的总体上。这样可以直接比较预期计数与真正留下的计数,连空箱也提供信息。

先固定这次巡天究竟在找什么

先做一个条件完全已知的小巡天:红移在九点五至十点五之间,天空面积五平方角分。所有源都用零点三千秒差距的物理半光半径、规定的尘屏与相同连续谱斜率,像素噪声也固定。每个源的位置和光形预先提供给测量程序。

这与随手改变一颗源的尺寸是两个实验。改变尺寸可以看见某个源如何变难测;要研究总体,还要指定整个总体的尺寸分布,并重新计算对应的筛选概率。下面的响应始终属于这组固定校准。

在较红波段中通过检出的源,还会按测得的亮度进入不同箱。真值相同的源,受到不同噪声后可能落在相邻箱;有些会落到最亮或最暗边界之外。把这些去向一起保留,才能追踪总概率。

对应阅读:Sandbox Physics · Sandbox Physics

一列响应描述一种源的全部去向

把本征绝对星等分成六箱,箱内密度ϕj\phi_j取常数,单位为每等、每立方百万秒差距。测量去向用ii标记,包含八个入选类别和一个未入选类别。入选类别还保留明亮与暗弱两端的越界源。

响应需要沿着本征亮度和红移范围积分。一个矩阵元素同时含有这段空间有多大、这个本征箱有多宽,以及源落到指定测量类别的概率。它的单位因此已经带着“等”和体积。

Aij=∫MjMj+1∫z1z2P(i∣M,z,C) dVdz dz dMA_{ij}=\int_{M_j}^{M_{j+1}}\int_{z_1}^{z_2}P(i\mid M,z,\mathcal C)\,\frac{dV}{dz}\,dz\,dM
条件C\mathcal C包括给定光谱、尺寸、噪声与筛选。面积已经计入体积元;概率无量纲,响应单位为等乘立方百万秒差距。
∑i including nonselectionAij=Vgeom ΔMj\sum_{i\,\mathrm{including\ nonselection}}A_{ij}=V_{\rm geom}\,\Delta M_j
将一列的全部去向加起来,就回到这一箱覆盖的几何体积乘本征箱宽。只留下入选行时,总和通常较小。
本征星等区间箱宽(等)
−22.5至−21.51
−21.5至−20.51
−20.5至−19.51
−19.5至−18.51
−18.5至−171.5
−17至−161

对应阅读:Sandbox Physics · Sandbox Physics

把本征密度送过响应,再与计数比较

预期的一个测量箱,可以接收多个本征箱的源。把各箱密度乘上相应响应,再加起来,就是这个箱的预期计数。非对角元素在这里描述亮度迁移。只给每个箱除一个“完整度”,会漏掉这种跨箱流动。

六个本征箱的宽度并不全相同。宽度已经进入响应,计算预期计数时不再乘一次。把一列响应除以该本征箱宽,可以得到这一条件下平均的有效体积;矩阵本身则更适合直接预测测量计数。

保存的八个入选类别计数依次为零、零、零、四、十四、八、零、零,共二十六个。未入选类别没有观测计数传给拟合。知道校准里存在“没选上”这一去向,不等于观测到了有多少源没选上。

μi=∑j=16Aijϕj\mu_i=\sum_{j=1}^{6}A_{ij}\phi_j
这里只取八个入选行。密度乘响应后,星等与体积单位消去,得到预期个数。

对应阅读:Sandbox Physics · Sandbox Physics

空箱怎样进入泊松似然

设总体源数服从泊松计数,各源按已知概率独立进入类别。经过这种独立分流,入选箱仍可以按独立泊松计数建模。泊松分布用一个预期数,描述重复巡天可能出现的非负整数个数。

似然比较的是同一份实际计数,在不同预期数下出现的相对可能性。把各箱概率相乘,再取对数,得到一个便于求和的量。高似然表示这组模型计数更能解释已经留下的数据。

ℓ=∑i[niln⁡μi−μi−ln⁡Γ(ni+1)]\ell=\sum_i\left[n_i\ln\mu_i-\mu_i-\ln\Gamma(n_i+1)\right]
观测个数为零时,第一项按零处理,仍保留负的预期数项。一个模型若预言空箱里本应有许多源,就会受这项惩罚。正观测却对应零预期时,似然为零、对数似然趋于负无穷。

对应阅读:SciPy · Sandbox Physics · Sandbox Physics

先解总体尺度,再沿斜率寻找形状

二十六个入选源不足以让任意六箱密度都同样精确。这里先选一个受限的形状族:采用Schechter形状,把特征星等固定在负二十点六,只让斜率和总体归一化变化。每个本征箱都在中点计算一次密度,并在箱内保持这个值。

这个中点约定定义了正在拟合的模型。它与把一条连续Schechter函数在每个箱内精确积分不同。对某个斜率,响应会给出单位归一化的预期计数。归一化同时放大所有预期数,最佳尺度可以先解析求出。

qj(α)=0.4ln⁡10 xjα+1e−xj,xj=100.4(M⋆−Mj,mid),ϕj=ϕ⋆qjq_j(\alpha)=0.4\ln10\,x_j^{\alpha+1}e^{-x_j},\qquad x_j=10^{0.4(M_\star-M_{j,\rm mid})},\quad\phi_j=\phi_\star q_j
特征星等固定,斜率限定在负三点五至负一。归一化的单位为每立方百万秒差距。
bi(α)=∑jAijqj(α),ϕ^⋆(α)=∑ini∑ibi(α)b_i(\alpha)=\sum_jA_{ij}q_j(\alpha),\qquad \widehat\phi_\star(\alpha)=\frac{\sum_i n_i}{\sum_i b_i(\alpha)}
对归一化求导并令其为零,得到“实际入选总数除以单位归一化的预期入选总数”。最优模型的入选总数会与数据一致;它怎样分配到各箱,仍约束着斜率。

对应阅读:Sandbox Physics · Sandbox Physics

看完整轮廓,而不只看一个最优数字

将每个斜率的最佳归一化代回似然,就得到轮廓似然。保存的四百零一个点显示,斜率约负二点零零四时最好,归一化约为每立方百万秒差距零点零零零四四三五。这个数属于上述模型和校准。

从最佳对数似然下降零点五,对应的斜率区间约为负二点三零四至负一点七二五。它是一种描述轮廓宽度的办法。在合适的大样本条件下有渐近解释;对这份小计数,它没有自动获得精确置信覆盖率。若区间碰到事先规定的斜率边界,还要标成截断。

图中的暗弱本征列大部分流向未入选。数据对这些列的限制较弱。一个受限形状族能把明亮端的信息传到暗弱端,但这种联系来自模型假设。要检验更自由的暗弱密度,需要更深测量、更多源或新的独立信息。

包含未入选类别的完整响应概率,以及保存的四百零一点斜率轮廓似然
上图将每列响应除以几何体积与本征箱宽,显示所有去向的平均概率;下图直接读取保存的轮廓,虚线表示对数似然下降零点五。它们属于固定模拟巡天,没有用未检出源数拟合。列代表离散本征箱;低于十万分之一采用最低显示色,下载值保持原精度。

对应阅读:Sandbox Physics · Sandbox Physics

从下载的小包重算这一步

小包只需要选中计数、完整响应、箱边界和原数值函数。解压后,在声明的Python环境运行replay.py,就会写出全轮廓与检查结果。输出已经存在时程序会拒绝覆盖,便于保留一次失败。

这份包实际冷重跑通过三十九项检查,含独立泊松概率、双参数最优点、导数、空计数和坏输入。它重放的是固定矩阵上的推断。原响应的像素与噪声试验有各自的记录;真实巡天还需要针对自身观测和选源流程测量响应。

对应阅读:Sandbox Physics · Sandbox Physics · Sandbox Physics

亲手观察

把个体测量与固定巡天的推断分开读

  1. 改变一个源的尺寸,观察像素与误差怎样改变。
  2. 再看固定巡天面板,指出它标明的红移、尺寸、尘屏和面积。
  3. 对照完整响应与轮廓曲线,解释为何最暗本征箱的信息较弱。

群体面板重放固定模拟巡天的响应和二十六个入选计数;个体操作计算另外一个给定源的有限像素测量。

练习与答案

把最宽的本征箱再额外乘一点五,会怎样影响预期数?

它的贡献会被重复放大一点五倍,因为响应已经积过这一箱的宽度。响应的星等单位已经包含这个宽度。

一个测量箱没有源,能否从似然里删掉?

不能。若模型预言这里应有很多源,空箱正好提供反对该模型的信息。泊松对数似然保留负的预期数项。

把所有入选计数加倍而相对分布保持相同,固定校准下的最佳形状和归一化怎样变?

轮廓最大值的斜率保持相同,归一化加倍。泊松噪声相对减小,轮廓宽度通常会变窄;仍需用实际曲线检查。

改变个体源的尘屏后,能否继续把旧矩阵称为新总体的筛选响应?

旧矩阵仍描述原尘屏和原总体条件。要研究新的总体,需给出尘屏分布并重算响应,或明确只展示一个源与旧校准的区别。

一手来源与计算说明

  1. Sandbox Physics, frozen synthetic response checks

    原25项响应记录,包括矩阵精度、有限高斯恢复与另列的公开目录计数身份检查。固定源条件不标定真实巡天。

  2. Sandbox Physics, selected-only inference checks

    实际接受的18项推断结果:独立似然、最优点与导数。原首次失败保留为历史记录;公开包只使用接受的源与入选观测。

  3. Sandbox Physics, selected-count cold replay

    两个积分阶数的完整9乘6响应、八类入选计数、六个不等本征箱、原数值函数与全部四百零一轮廓点。实际冷重放39项检查;不含隐藏总体真值或新抽样。

  4. SciPy, Poisson probability and logpmf

    概率质量函数、非负整数取值与零均值情况。实际独立冷重放固定SciPy 1.17.1;阅读当前文档不会改变复算环境。

反馈这个页面有错误、看不明白,或者缺了什么?告诉我们
反馈类型

提交时会附带本页地址、Lab ID、网站语言和设备类型。请不要填写个人信息。反馈最多保存 12 个月。隐私政策