文|翎諭
編輯|翎諭
天體化學學作為一個多學科領域，仍然在探求宇宙中的各類天彰顯象和化學過程，超亮紅外星體（）和類恒星作為宇宙中特殊的天體，吸引了諸多天文學家的關注。
這種天體在演變過程中經歷了合并、星暴和活躍星體核等多種復雜的階段，其化學機制仍然是一個前沿研究領域。
本文將介紹怎樣借助數論剖析方式，解開超亮紅外星體合并和星暴的演進之謎。
演變中的超亮紅外星體合并和星暴的物理解釋
天體化學學研究的前沿領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年代被紅外天文衛星（IRAS）發覺。
隨后，它們成為了多項研究的主題，是正在發生合并風波的星體：當兩個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量，彼此碰撞，最終合并成一個更大的星體。
這個過程（稱為合并）造成它們的光度降低，但是最主要的演進階段是以星暴為主導的階段和以AGN為主導的階段。
在這個合并情境中，這種星體的觀測到的光度降低是由兩個星體的引力互相作用（后來合并）導致的。
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。
隨著這一過程的發生，分子云產生并被破壞，造成星際二氧化碳和塵埃的新濃集，因而在每位星體內產生新的活躍星產生區域。
這些忽然降低的星產生速度被稱為星暴主導階段，合并情境的下一個階段稱為合并階段，即兩個星體漸漸融合為一個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，在這個階段，兩個星體的核心之一或兩個都顯示出活動的降低，由于它們開始吸積物質。
星體核心中超大質量黑洞（SMBHs）的這些活動現象稱為活躍星體核，AGN的激活表現為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亮光的AGN，星暴活動明顯升高，這是因為星體核心SMBH的反饋過程被攪亂。
因為AGN活動降低，星體風和高度相對論噴流將物質從星體核心排出，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生階段期間早已被消耗。
我們的目標是通過應用我們提出的數論剖析方式和算法來解開這個演進情境背后的數學過程。
星暴星體與經歷AGN主導階段的星體顯示出不同的特點，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，產生新的星體。
而AGN主導階段包括物質被吸積到星體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環狀結構（AGNtorus）遮蔽——一種圍繞每位星體中央SMBH的塵埃環狀結構，正如AGN統一模型預測的那樣。
這個過程造成了類恒星天體對象（QSOs，一般稱為類恒星）的產生，類恒星被覺得是的補充對象，但一些研究挑戰了這些單一的演進情境，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烈的星際產生活動。
強烈的星際產生活動也在研究的類恒星樣本中被推測下來，合并情境的基礎機制和過程的影響在和類恒星的觀測特點中形成一些差別，研究這種差別是理解這種星體經歷的演進階段的關鍵。
數論剖析闡明星體中紅外波譜的相像性與特點
在的波譜中，遠紅外幅射的主導地位由波譜線特點的聚環丁二烯（PAHs）發射所搶占，并在特定的中紅外波長區域。
中紅外波譜還包含大概9.7和18的發射和吸收特點，由硅酸鹽塵埃的存在導致，硅酸鹽發射特點因為300-1000K的熱塵埃的發射而形成，當AGN環正面視角被觀察到時，它幾乎完全不受遮擋。
我們還研究了星體的PAH發射特點，以校正它們的星際產生速度（SFR），使用（IRS）觀測，她們演示了PAH發射怎么確切地描述星體的SFR，并因而有助于分辨星際產生和AGN主導的星體。
通過在中紅外范圍內研究硅酸鹽吸收硬度和PAH發射特點，對星體的演進階段進行分類的研究也由其他科研人員進行。
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，強烈遮擋的星暴和由合并引起的AGN活動仍被覺得是調查中觀測到的最亮星體的主要能源來源。
初期宇宙中發生的合并可能不如局部宇宙中類似風波這么有效地觸發星暴，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樣本。
此后我們又剖析了從NASA的太空望遠鏡獲得的數據，非常是該航天器上的紅外波譜儀（IRS）的數據。
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系（相像性）圖天體物理學家研究哪幾個方面，并使用數論工具進行網路剖析。
我們使用了通過網站提供的公開可用的紅外星體源數據，有幾個重要的樣本，包括數百個星體，通過數據庫提供的公開數據。
所研究的樣本一樣，這種樣本包括來自太空望遠鏡的中紅外數據，這對于這些剖析是至關重要的。
接出來討論數論在天體化學學中的應用，數論是物理和計算機科學領域的學科，涉及研究對象之間的關系，基于其關系性質從數據中提取出的矩陣。
之后使用這種矩陣來世成和映射對象到一個名為圖的網路結構中，對象在圖中表示為節點（頂點），它們通過邊聯接在一起，這種邊對應于它們的關系性質。
從中提取有意義信息的一個主要方式是應用降維算法，這種是無監督學習技術，它們將圖分割成具有更高聯接性的節點群組（簇），與圖的其余部份相比，這種節點在它們之間更緊密地聯接。
我們將相像性函數應用于的中紅外波譜，以創建一個相像性矩陣。
這個相像性矩陣被拿來生成我們的圖，稱為相像性圖，在這個相像性圖中，節點表示，它們基于中紅外波譜的相像性聯接在一起。
最后我們應用、測試和比較多個降維算法，因而檢查出具有相像波譜的社群。
這些方式的一個主要優勢是它不依賴于模型，由于生成相像性圖的整個過程純粹基于通過比較相應的觀測數據獲得的節點之間的成對相像性。
數論剖析闡明超亮紅外星體演變關鍵性信息的應用
我們將數論的方式應用于天體化學數據，非常是應用于的中紅外波譜，與任何模型參數無關。
將數論方式應用于研究合并情境可以形成無模型的結果，通過將具有類似中紅外波譜的降維到相像的演進階段，以生成的演進范式。
雖然數論的歷史悠久，且在各類科學領域取得了成功的應用，但在天體化學學中以及非常是星體演變領域，極少有作品借助數論來研究開放性問題。
惟一一個借助數論研究ULIRG演變的重要作品是在09年進行的，作者通過將數論和貝葉斯推理方式相結合，研究了一組（IRS）的中紅外波譜，企圖辨識和分辨不同時間演進階段。
我們選擇了一個本地ULIRG群體，并在其中紅外波譜上應用貝葉斯推理，生成了一個相像性圖，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（其中相像的節點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于不同的星體演進階段。
雖然數論在天體化學學中的探求有限，但在宇宙學領域早已進行了更多的研究，比如，借助宇宙大尺度結構的宇宙模型的動態網路剖析，包含一些模擬的星體分布，以研究星體團和超星體團的引力互相作用和演進。
據悉，展示了數論方式和工具怎么成功地應用于模擬數據和觀測數據，上述作品表明，數論的應用在宇宙學中研究星體產生和分布方面也是一個十分有用的工具。
基于數論以及圖降維工具進行超亮紅外星體剖析和分類的統一框架，該框架的適用性在不同的應用領域得到了證明，其中包括天體化學數據剖析以研究星體演變。
我們早已展示了怎樣借助數論和降維剖析工具，基于中紅外波譜對星體進行分類，以提取關于其潛在機制的有意義信息。
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，對應于不同的演進階段。
據悉，對已辨識社群的化學性質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，如詹姆斯·韋伯太空望遠鏡獲得），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更具體的演進范式。
據悉天體物理學家研究哪幾個方面，未來對數論方式在研究星體演變中的其他應用技巧的研究，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，可能會為我們提供關于宇宙歷史中星系演變的性質和化學機制的重要看法。
通過數論剖析，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，從中闡明了它們的演進階段和化學機制。
未來，隨著觀測設備的不斷進步，我們有望獲得更多高幀率的中紅外波譜數據，以及更廣泛的天體樣本。
同時，數論方式在天體化學學中的應用還有許多潛力等待挖掘，我們可以將其擴充到其他天彰顯象的研究中，以獲取更多關于宇宙中各類化學過程的看法。