文|翎諭
編輯|翎諭
天體化學(xué)學(xué)作為一個(gè)多學(xué)科領(lǐng)域，仍然在探求宇宙中的各類天彰顯象和化學(xué)過程，超亮紅外星體（）和類恒星作為宇宙中特殊的天體，吸引了諸多天文學(xué)家的關(guān)注。
這種天體在演變過程中經(jīng)歷了合并、星暴和活躍星體核等多種復(fù)雜的階段，其化學(xué)機(jī)制仍然是一個(gè)前沿研究領(lǐng)域。
本文將介紹怎樣借助數(shù)論剖析方式，解開超亮紅外星體合并和星暴的演進(jìn)之謎。
演變中的超亮紅外星體合并和星暴的物理解釋
天體化學(xué)學(xué)研究的前沿領(lǐng)域之一是可觀測宇宙中星系的研究，超亮紅外星體（）是一類特定的星體，并在1980年代被紅外天文衛(wèi)星（IRAS）發(fā)覺。
隨后，它們成為了多項(xiàng)研究的主題，是正在發(fā)生合并風(fēng)波的星體：當(dāng)兩個(gè)或更多含有二氧化碳的盤狀星體互相作用，它們漸漸喪失軌道能量和角動(dòng)量，彼此碰撞，最終合并成一個(gè)更大的星體。
這個(gè)過程（稱為合并）造成它們的光度降低，但是最主要的演進(jìn)階段是以星暴為主導(dǎo)的階段和以AGN為主導(dǎo)的階段。
在這個(gè)合并情境中，這種星體的觀測到的光度降低是由兩個(gè)星體的引力互相作用（后來合并）導(dǎo)致的。
在前合并階段，這些互相作用重新分布了星星以及每位星體中存在的星際二氧化碳和塵埃，改變了星體的形狀。
隨著這一過程的發(fā)生，分子云產(chǎn)生并被破壞，造成星際二氧化碳和塵埃的新濃集，因而在每位星體內(nèi)產(chǎn)生新的活躍星產(chǎn)生區(qū)域。
這些忽然降低的星產(chǎn)生速度被稱為星暴主導(dǎo)階段，合并情境的下一個(gè)階段稱為合并階段，即兩個(gè)星體漸漸融合為一個(gè)更大的星體的中間階段，帶有單一的星體核心。
近來的星體合并模型表明，在這個(gè)階段，兩個(gè)星體的核心之一或兩個(gè)都顯示出活動(dòng)的降低，由于它們開始吸積物質(zhì)。
星體核心中超大質(zhì)量黑洞（SMBHs）的這些活動(dòng)現(xiàn)象稱為活躍星體核，AGN的激活表現(xiàn)為ULIRG的色溫中AGN部份的降低，即總體色溫中歸因于AGN的比列降低。
最后，步入后合并階段，合并的星體弄成了一個(gè)亮光的AGN，星暴活動(dòng)明顯升高，這是因?yàn)樾求w核心SMBH的反饋過程被攪亂。
因?yàn)锳GN活動(dòng)降低，星體風(fēng)和高度相對論噴流將物質(zhì)從星體核心排出，將短缺的塵埃和二氧化碳“餓死”星系的其余部份，而重新分布的星際塵埃和二氧化碳在新星產(chǎn)生階段期間早已被消耗。
我們的目標(biāo)是通過應(yīng)用我們提出的數(shù)論剖析方式和算法來解開這個(gè)演進(jìn)情境背后的數(shù)學(xué)過程。
星暴星體與經(jīng)歷AGN主導(dǎo)階段的星體顯示出不同的特點(diǎn)，星暴階段意味著星體有短缺的二氧化碳和塵埃，這種二氧化碳和塵埃在重力的作用下以特別高的速度坍縮，產(chǎn)生新的星體。
而AGN主導(dǎo)階段包括物質(zhì)被吸積到星體SMBH上，形成大量能量，并通過高能噴流從星體中噴射出氣體和塵埃。
一般，這些能源來源被AGN環(huán)狀結(jié)構(gòu)（AGNtorus）遮蔽——一種圍繞每位星體中央SMBH的塵埃環(huán)狀結(jié)構(gòu)，正如AGN統(tǒng)一模型預(yù)測的那樣。
這個(gè)過程造成了類恒星天體對象（QSOs，一般稱為類恒星）的產(chǎn)生，類恒星被覺得是的補(bǔ)充對象，但一些研究挑戰(zhàn)了這些單一的演進(jìn)情境，提出了可能采取多種不同的演變路徑的存在。
近來的研究測量到了一類稱為冷類恒星的群體，它們并不純粹是AGN對象，由于它們也許也伴隨著強(qiáng)烈的星際產(chǎn)生活動(dòng)。
強(qiáng)烈的星際產(chǎn)生活動(dòng)也在研究的類恒星樣本中被推測下來，合并情境的基礎(chǔ)機(jī)制和過程的影響在和類恒星的觀測特點(diǎn)中形成一些差別，研究這種差別是理解這種星體經(jīng)歷的演進(jìn)階段的關(guān)鍵。
數(shù)論剖析闡明星體中紅外波譜的相像性與特點(diǎn)
在的波譜中，遠(yuǎn)紅外幅射的主導(dǎo)地位由波譜線特點(diǎn)的聚環(huán)丁二烯（PAHs）發(fā)射所搶占，并在特定的中紅外波長區(qū)域。
中紅外波譜還包含大概9.7和18的發(fā)射和吸收特點(diǎn)，由硅酸鹽塵埃的存在導(dǎo)致，硅酸鹽發(fā)射特點(diǎn)因?yàn)?00-1000K的熱塵埃的發(fā)射而形成，當(dāng)AGN環(huán)正面視角被觀察到時(shí)，它幾乎完全不受遮擋。
我們還研究了星體的PAH發(fā)射特點(diǎn)，以校正它們的星際產(chǎn)生速度（SFR），使用（IRS）觀測，她們演示了PAH發(fā)射怎么確切地描述星體的SFR，并因而有助于分辨星際產(chǎn)生和AGN主導(dǎo)的星體。
通過在中紅外范圍內(nèi)研究硅酸鹽吸收硬度和PAH發(fā)射特點(diǎn)，對星體的演進(jìn)階段進(jìn)行分類的研究也由其他科研人員進(jìn)行。
對亮紅外星體的近來研究闡明了低紅移與高紅移下這種星體的特點(diǎn)之間的差別。低紅移下最亮的（超亮和超超亮）紅外星體與星體合并情境一致。
但是，星體合并引起的星暴在高紅移宇宙中的作用較小，強(qiáng)烈遮擋的星暴和由合并引起的AGN活動(dòng)仍被覺得是調(diào)查中觀測到的最亮星體的主要能源來源。
初期宇宙中發(fā)生的合并可能不如局部宇宙中類似風(fēng)波這么有效地觸發(fā)星暴，因而局部合并情境可能難以覆蓋初期宇宙中觀察到的亮星體的整個(gè)樣本。
此后我們又剖析了從NASA的太空望遠(yuǎn)鏡獲得的數(shù)據(jù)，非常是該航天器上的紅外波譜儀（IRS）的數(shù)據(jù)。
更具體地說，我們提取、處理并比較了本地超亮紅外星體（）和類恒星的中紅外波長波譜，以生成那些星體的關(guān)系（相像性）圖天體物理學(xué)家研究哪幾個(gè)方面，并使用數(shù)論工具進(jìn)行網(wǎng)路剖析。
我們使用了通過網(wǎng)站提供的公開可用的紅外星體源數(shù)據(jù)，有幾個(gè)重要的樣本，包括數(shù)百個(gè)星體，通過數(shù)據(jù)庫提供的公開數(shù)據(jù)。
所研究的樣本一樣，這種樣本包括來自太空望遠(yuǎn)鏡的中紅外數(shù)據(jù)，這對于這些剖析是至關(guān)重要的。
接出來討論數(shù)論在天體化學(xué)學(xué)中的應(yīng)用，數(shù)論是物理和計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)科，涉及研究對象之間的關(guān)系，基于其關(guān)系性質(zhì)從數(shù)據(jù)中提取出的矩陣。
之后使用這種矩陣來世成和映射對象到一個(gè)名為圖的網(wǎng)路結(jié)構(gòu)中，對象在圖中表示為節(jié)點(diǎn)（頂點(diǎn)），它們通過邊聯(lián)接在一起，這種邊對應(yīng)于它們的關(guān)系性質(zhì)。
從中提取有意義信息的一個(gè)主要方式是應(yīng)用降維算法，這種是無監(jiān)督學(xué)習(xí)技術(shù)，它們將圖分割成具有更高聯(lián)接性的節(jié)點(diǎn)群組（簇），與圖的其余部份相比，這種節(jié)點(diǎn)在它們之間更緊密地聯(lián)接。
我們將相像性函數(shù)應(yīng)用于的中紅外波譜，以創(chuàng)建一個(gè)相像性矩陣。
這個(gè)相像性矩陣被拿來生成我們的圖，稱為相像性圖，在這個(gè)相像性圖中，節(jié)點(diǎn)表示，它們基于中紅外波譜的相像性聯(lián)接在一起。
最后我們應(yīng)用、測試和比較多個(gè)降維算法，因而檢查出具有相像波譜的社群。
這些方式的一個(gè)主要優(yōu)勢是它不依賴于模型，由于生成相像性圖的整個(gè)過程純粹基于通過比較相應(yīng)的觀測數(shù)據(jù)獲得的節(jié)點(diǎn)之間的成對相像性。
數(shù)論剖析闡明超亮紅外星體演變關(guān)鍵性信息的應(yīng)用
我們將數(shù)論的方式應(yīng)用于天體化學(xué)數(shù)據(jù)，非常是應(yīng)用于的中紅外波譜，與任何模型參數(shù)無關(guān)。
將數(shù)論方式應(yīng)用于研究合并情境可以形成無模型的結(jié)果，通過將具有類似中紅外波譜的降維到相像的演進(jìn)階段，以生成的演進(jìn)范式。
雖然數(shù)論的歷史悠久，且在各類科學(xué)領(lǐng)域取得了成功的應(yīng)用，但在天體化學(xué)學(xué)中以及非常是星體演變領(lǐng)域，極少有作品借助數(shù)論來研究開放性問題。
惟一一個(gè)借助數(shù)論研究ULIRG演變的重要作品是在09年進(jìn)行的，作者通過將數(shù)論和貝葉斯推理方式相結(jié)合，研究了一組（IRS）的中紅外波譜，企圖辨識和分辨不同時(shí)間演進(jìn)階段。
我們選擇了一個(gè)本地ULIRG群體，并在其中紅外波譜上應(yīng)用貝葉斯推理，生成了一個(gè)相像性圖，在圖中具有類似SED的星體彼此相連。
之后，使用圖的彈簧布局勾畫圖（其中相像的節(jié)點(diǎn)在圖嵌入中緊靠放置），辨識出3組星體，這種星體被覺得對應(yīng)于不同的星體演進(jìn)階段。
雖然數(shù)論在天體化學(xué)學(xué)中的探求有限，但在宇宙學(xué)領(lǐng)域早已進(jìn)行了更多的研究，比如，借助宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的宇宙模型的動(dòng)態(tài)網(wǎng)路剖析，包含一些模擬的星體分布，以研究星體團(tuán)和超星體團(tuán)的引力互相作用和演進(jìn)。
據(jù)悉，展示了數(shù)論方式和工具怎么成功地應(yīng)用于模擬數(shù)據(jù)和觀測數(shù)據(jù)，上述作品表明，數(shù)論的應(yīng)用在宇宙學(xué)中研究星體產(chǎn)生和分布方面也是一個(gè)十分有用的工具。
基于數(shù)論以及圖降維工具進(jìn)行超亮紅外星體剖析和分類的統(tǒng)一框架，該框架的適用性在不同的應(yīng)用領(lǐng)域得到了證明，其中包括天體化學(xué)數(shù)據(jù)剖析以研究星體演變。
我們早已展示了怎樣借助數(shù)論和降維剖析工具，基于中紅外波譜對星體進(jìn)行分類，以提取關(guān)于其潛在機(jī)制的有意義信息。
我們展示了怎么成功地在超亮紅外星體的中紅外波譜上施行KPCA，建立相像性圖，并借助降維算法來提取不同的社群，對應(yīng)于不同的演進(jìn)階段。
據(jù)悉，對已辨識社群的化學(xué)性質(zhì)的考察造成了支持超亮紅外星體演變合并情境的物理解釋。
未來的工作可以借助更高碼率的中紅外超亮紅外星體波譜（通過未來的任務(wù)，如詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡獲得），以及更廣泛的超亮紅外星體目錄，有望為超亮紅外星體合并情境定義一個(gè)更具體的演進(jìn)范式。
據(jù)悉天體物理學(xué)家研究哪幾個(gè)方面，未來對數(shù)論方式在研究星體演變中的其他應(yīng)用技巧的研究，以及跨不同紅移范圍比較超亮紅外星體中紅外波譜的可能性，可能會(huì)為我們提供關(guān)于宇宙歷史中星系演變的性質(zhì)和化學(xué)機(jī)制的重要看法。
通過數(shù)論剖析，我們深入研究了超亮紅外星體和類恒星的中紅外波譜特點(diǎn)，從中闡明了它們的演進(jìn)階段和化學(xué)機(jī)制。
未來，隨著觀測設(shè)備的不斷進(jìn)步，我們有望獲得更多高幀率的中紅外波譜數(shù)據(jù)，以及更廣泛的天體樣本。
同時(shí)，數(shù)論方式在天體化學(xué)學(xué)中的應(yīng)用還有許多潛力等待挖掘，我們可以將其擴(kuò)充到其他天彰顯象的研究中，以獲取更多關(guān)于宇宙中各類化學(xué)過程的看法。