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Sandbox Physics
恒星活动与径向速度

AC18 · L3

把这 71 次 HARPS 观测重新算一遍

真实速度表没有演示那么整齐。让日期、活动指标和原单位一直跟着数据走,才有机会分清结果究竟依赖模型,还是依赖画图时做的选择。

拟合前,先固定观测

保留 Haywood 等人 2014 年第一版附表 A1 的全部 71 行数值,对应 CoRoT-7 的 2012 年 HARPS 观测。日期从 BJD UTC 2455939.69948 到 2455964.70360。原表速度、速度误差、半高全宽和 BIS 用千米每秒;读取时只换算一次为米每秒。钙线对数指标及其误差保持无量纲。原表没有给半高全宽或 BIS 的逐点正式误差。

原数值行、派生 CSV 与出处文件,记录了精确的 arXiv 源档及 TeX 成员的 SHA-256;CSV 哈希也进入公开清单。这些是保留原文归属的事实数值,没有对原观测重新授予许可证,论文正文和图像也不放进下载包。

沿用原表的 BJD UTC。减去第一日期只是为了数值方便,不能顺手改叫 TDB,也不能塞进一个 HJD 凌星时刻。这里让相位自由,避免混用时间系统;没有虚构原表未提供的曝光核,也没有给已报告的重心速度再做一次同样校正。

对应阅读:Haywood et al. — CoRoT-7, arXiv:1407.1044v1 · Rajpaul et al. — joint activity processes, arXiv:1506.07304v1

三种模型,看完全相同的行

每个似然都使用 142 个值:71 个速度和 71 个钙指标。轨道模型包含两个圆轨道分量、通道零点和独立高斯噪声加通道抖动;其中钙通道只有零点与噪声。活动模型用共享潜过程和零点,不含轨道分量;联合模型把两部分放在一起。半高全宽与 BIS 始终保留为原表辅助列。

速度的固定原点是每秒 31180 米,钙指标原点为负 4.72,后者再除以 0.01。这些事先写明的常数定义正规零点先验,没有改用拟合样本的中位数。完整先验范围、系数尺度和自转复现周期的替代方案,都写在输出 JSON 里。

短周期固定为 0.85359165 天,另一周期限制在 3.3 到 4.1 天。这次条件比较不推断偏心率、额外行星个数、长期趋势,也没有做全频率盲搜。观测只跨约一次自转,受这些限制的边缘似然估计不能直接读作行星存在概率。

对应阅读:Rasmussen & Williams — Gaussian Processes for Machine Learning, Chapter 2 · Haywood et al. — CoRoT-7, arXiv:1407.1044v1

在普通目录重跑

把所有链接文件存到同一目录。建议用 Python 3.11 和固定的 NumPy、SciPy 版本;冻结参考也在 Python 3.9.6 上实际运行过。README 给出完整命令、输入哈希、独立检查和较长的采样变体。依赖另行安装,下载包不打包第三方库源码。

                    python3.11 -m venv .venv
. .venv/bin/activate
python -m pip install -r requirements.txt
python -W error check-kernel.py
python -W error check-importance.py
python -W error replay-importance.py --data . --power 15 --seed 1808 --out rerun.json --nodes-out rerun-nodes.npz
python -W error replay-predictions.py --data . --posterior rerun.json --nodes rerun-nodes.npz --draws 2048 --out rerun-predictions.json
                  

主命令拟合三种模型,耗时取决于线性代数环境,应按分钟而非动画帧等待。浏览器不做这个昂贵拟合,也不会把离线结果插值到另一组参数上冒充重新计算。冻结的实测结果,与现场的合成恒星分别展示。

对应阅读:Rasmussen & Williams — Gaussian Processes for Machine Learning, Chapter 2 · Rajpaul et al. — joint activity processes, arXiv:1506.07304v1

先读区间,再看曲线

冻结联合后验中,短周期振幅的第 16、50、84 百分位约为每秒 2.76、3.48、4.22 米;第二分量约为每秒 5.54、6.00、6.46 米。这些是给定先验下的分位数,不是对称测量误差、发现显著性,也不是恒星质量。

只用轨道与独立噪声时,短周期振幅对应约 1.87、2.72、3.59。差别本身就值得看:把相关活动当成独立噪声,会改变两部分的分配。纯活动模型没有行星振幅,图里展示的是它的潜在速度拟合,没有补一个不存在的轨道数值。

图上的模型只对应已保留观测时刻的样本内潜过程后验。阴影为逐点第 16 至 84 百分位,包含已声明模型的不确定性,却不是新增测量误差,也不是留出数据预测。下载的完整 142 维潜过程协方差保留了阴影画不出的跨时刻、跨通道相关。把混合抽样从 512 加到 2048 后,联合均值在这些时刻的最大变化约为每秒 0.028 米。

两个圆轨道信号与独立噪声

-300300102025速度 · 米每秒,减去固定原点31180米每秒自BJD UTC 2455939.69948起的天数
灰色为原观测及正式误差;青色为样本内潜过程均值与逐点16—84百分位。连线只是连接采样时刻,没有给出时刻之间的后验预测。

活动过程,不含轨道项

-300300102025速度 · 米每秒,减去固定原点31180米每秒自BJD UTC 2455939.69948起的天数
灰色为原观测及正式误差;青色为样本内潜过程均值与逐点16—84百分位。连线只是连接采样时刻,没有给出时刻之间的后验预测。

轨道与活动联合

-300300102025速度 · 米每秒,减去固定原点31180米每秒自BJD UTC 2455939.69948起的天数
灰色为原观测及正式误差;青色为样本内潜过程均值与逐点16—84百分位。连线只是连接采样时刻,没有给出时刻之间的后验预测。

一起保留的钙线通道

-4.85-4.75-4.650102025对数钙线活动指标自同一BJD UTC原点起的天数
这是论文实测钙线序列,不是现场Lab未标定的投影面积代理量;这张表没有提供实测测光或天体测量。
实际后验振幅第16、50、84百分位,单位米每秒;纯活动模型没有轨道振幅。
模型短周期第二周期有效样本数
两个圆轨道信号与独立噪声1.87,;2.72,;3.591.87,;2.72,;3.595.28,;6.19,;7.095.28,;6.19,;7.091.57×1041.57\times10^{4}
活动过程,不含轨道项不含轨道项不含轨道项39903990
轨道与活动联合2.76,;3.48,;4.222.76,;3.48,;4.225.54,;6,;6.465.54,;6,;6.4664106410

对应阅读:Haywood et al. — CoRoT-7, arXiv:1407.1044v1 · Rajpaul et al. — joint activity processes, arXiv:1506.07304v1

主动找它容易失败的地方

先用种子 1908 重跑,再用种子 2008 对联合模型加密到 65536 点。有效样本数和权重尾部都保留。另有三次先验实验:把复现周期从 18—35 天放宽到 3—60 天,采用外部测光的 23.81 天约束,以及把行星系数标准差从每秒 10 米改成 3 米。它们改变的是实际先验,不只是优化起点。

已知真值的注入实验沿用真实日期与误差,但替换全部观测值。只有星斑的恒星选出约每秒12.5米、34.3天的正弦分量,真实自转却是23.81天。整体拟合很差:选中频率下,71个值和三个系数得到 χ2≃1284\chi^2\simeq1284。只看窄窄的条件区间,会藏起这个模型失败;它也没有校准全频率误警报概率。另一组近自转周期的谐波实验专门展示 GP 吸收与活动先验敏感性。模拟的仪器跳变若强用一个零点,会造出虚假轨道分量;允许不同零点后,多数假信号消失。真实表本身仍只有一组 HARPS 数据。

最初 512 节点的失败、窄活动区的积分失败、提议分布基准和最终多种子诊断都可下载。节点档把非线性坐标、似然和权重保存为双精度;只有导出的条件系数均值与协方差下三角为控制体积采用单精度。推断及 JSON 完整协方差仍由双精度计算,存储量化误差另有检查。

对应阅读:Rajpaul, Aigrain & Roberts — Ghost in the time series, arXiv:1510.05598v1 · Rajpaul et al. — joint activity processes, arXiv:1506.07304v1

练习与解释性答案

  1. 为什么不替 BIS 与半高全宽填上很小的误差,顺便多用两个活动通道?

    展开解释

    那样连似然权重也是编出来的。原表没有这些逐点正式误差,可以诚实地保留为辅助列;若要纳入联合似然,需要明确且有依据的误差模型,并检查对它的敏感性。

  2. 活动模型样本内残差比简单轨道更小,能否据此否定行星?

    展开解释

    不能。灵活过程也能吸收轨道功率,短观测窗可能分不开两种机制。还应看已知真值的恢复、先验及独立通道;样本内残差大小本身既不能确认,也不能排除轨道解释。

动手检验预测

分清两份记录

  1. 导出 Lab 活动预设,检查它的模型与单位标签。
  2. 打开实测图,对照源 CSV 日期。71 次真实观测之间,没有混入合成表面的点。

把所有科学文件放在同一目录,按 README 用 Python 3.11 和固定 NumPy、SciPy 依赖独立复算已声明的条件后验。

来源与计算范围

  1. Haywood et al. — CoRoT-7, arXiv:1407.1044v1

    2014年7月3日版本。第2—3及4.2节、式1—12、附表A1。保留2012年HARPS全部71行数值,教程没有复现完整同期测光分析。

  2. Rajpaul et al. — joint activity processes, arXiv:1506.07304v1

    2015年6月24日版本。第3.1—3.4、4.1—4.2节,图3—4及附录A.2。导数符号采用第一时刻减第二时刻的时差;核宽度必须连同定义使用。

  3. Rajpaul, Aigrain & Roberts — Ghost in the time series, arXiv:1510.05598v1

    2015年10月20日版本。第2—3节和图1—3:采样窗口与合成信号内容的比较。半人马座阿尔法B分析属于原文导读,没有被说成本站复算的数据。

  4. Rasmussen & Williams — Gaussian Processes for Machine Learning, Chapter 2

    作者提供的2006年第2章,第2.1—2.2及2.7节:高斯条件分布、正规边缘密度与线性基函数。这里的重要抽样器与表面积分为独立编写。

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