第3.21節：團簇合併（星系碰撞）

目錄 ／ 第3章：宏觀宇宙

星系團併合（常俗稱“星系碰撞”），實為兩個或多個星系團相互穿越與重組的過程）中，天文觀測看到的主要現象與難題。下文對比兩種解釋思路：
當代物理（以冷暗物質 + 廣義相對論為基線）與 EFT 能量絲理論（以統計張度引力 STG 與張度本地雜訊 TBN 為核心，再配合源頭紅移 TPR 與路徑‑環境 PER 的觀測映射）。

一、兩條總體思路（先把話說清）

1. 當代物理（ΛCDM + GR）的主線

• 宇宙中存在一種 近乎無碰撞、不可見的物質成分（“暗物質”）。
• 在併合時，暗物質暈與星系幾乎互相穿透；熱氣體因碰撞被減速並被加熱，於是出現透鏡品質峰與 X 射線氣體峰的空間分離。
• 引力遵循廣義相對論；各波段信號（X/SZ、射電、透鏡）可用“暗物質 +（磁）流體”的正演模擬來複現。

2. EFT（能量絲理論）的主線

• 早期和晚期宇宙都浸沒在“能量海”的張力‑壓力地形中。宏觀可見的額外引力效果，用 **統計張度引力（STG）**來表述；
• 併合時，可見物質激起的“洶湧度”（衝擊、剪切、湍動）會事件條件化地改變 STG 的響應，並疊加 張度本地雜訊（TBN） 的細紋紋理；
• 我們在地球上看到的紅移與距離，可含有 源頭紅移（TPR） 與 路徑‑環境（PER） 的改寫；它們不必全都解釋為“唯一的宇宙膨脹幾何”。

直觀比喻：當代物理更像“給舞臺加一位看不見的演員（暗物質）”；EFT 更像“讓舞臺的地板（張度地形）隨事件起伏，並對光與物質的行進施加統計性的動態回應”。

二、主要現象 / 困境清單（逐一講、逐一對）

以下八項，是併合星系團裡最常被提及、也最能“拷問模型”的可觀測指紋。每一項都按“現象/困境 → 當代物理解讀 → EFT 解讀（STG/TBN/TPR/PER）”展開。

1. 透鏡品質峰與 X 射線氣體峰的錯位（“κ–X 偏移”）

• 現象/困境：在典型“子彈型”併合團裡，弱/強引力透鏡重建出的總品質峰，與 X 射線亮度/溫度峰不在同一位置；同時，星系光峰更貼近品質峰。問題在於：為什麼“重力主導的東西”與“會碰撞的熱氣體”分家這麼明顯？
• 當代物理：暗物質與星系近乎無碰撞、能互穿；熱氣體被撞停並加熱，因而滯後。這個幾何分離是“有大量無碰撞品質”的自然結果。
• EFT：併合觸發的“洶湧度”令 STG 的等效回應核在併合軸上被定向放大，且存在記憶/滯後（回應並非即時），從而在解耦於熱氣體的區域形成“更深的統計勢”，表現為透鏡品質峰與 X 峰的系統錯位。
• 可檢要點：偏移量應隨“洶湧指標”（如激波強度、射電譜陡度梯度、X 射線的多溫分散）單調變化；並在併合後期按固定時間常數回歸（“記憶”會慢慢消退）。

2. 弓形激波與冷前（熱氣體的劇烈碰撞結構）

• 現象/困境：X 射線圖像上常見弓形激波（溫度/密度突然躍遷）與冷前（像刀口一樣的接觸不連續面）。如何同時解釋它們的位置、強度與幾何？
• 當代物理：兩團高速穿越，動能轉為氣體內能，形成激波；流體‑磁場的剪切與卷吸塑造冷前。細節取決於黏性、導熱、磁抑制等微物理。
• EFT：激波/剪切不僅加熱氣體，也作為“源項”驅動 STG 的局域增強；TBN 紋理記錄這些非平衡區的“粗糙度”。因此激波法向與透鏡橢率主軸更容易對齊，冷前附近也更易出現“統計引力的楔形加深”。
• 可檢要點：激波法向與透鏡等高線主軸的對齊統計；冷前法向剖面上的“熱–非熱能量分賬”與 STG 增益是否一致。

3. 射電遺跡與中心暈（非熱粒子與磁場的回聲）

• 現象/困境：許多併合團在外緣出現弧形高偏振的射電遺跡，靠中心還有彌散的射電暈。為什麼位置常與激波共位？加速效率從哪來？
• 當代物理：激波/湍動對電子加速（一次或二次加速），磁場被拉伸與放大；因此遺跡多沿激波邊界展開，中心暈與湍動相關。
• EFT：TBN 提供小尺度“抖動”與非高斯尾，提高“再加速”的門檻易達性；STG 在“洶湧區”回應加權更高，讓遺跡與透鏡橢率軸更容易“同向拉伸”。
• 可檢要點：遺跡的位置、偏振角與透鏡主軸的相對角分佈；譜指數梯度是否與“洶湧指標”及 STG 增益呈可預測關係。

4. 形態學：雙峰、拉長、扭轉角與多極矩

• 現象/困境：透鏡的會聚/剪切場常顯示雙峰或沿併合軸拉長，並伴隨可量化的偏心率、扭轉角與高階多極矩。問題在於：這些“細節幾何”對模型核的形狀非常敏感。
• 當代物理：由兩團暗物質暈的幾何疊加決定；強約束來自“暈‑暈相對位置、品質比、視線夾角”。
• EFT：各向異性的 STG 核在併合主軸方向更“硬”，因此能在同一組核參數下同時解釋偏心率、扭轉角與 m=2/m=4 多極的強度比。
• 可檢要點：用同一核參數在不同併合系統上複用，若依然能複現“偏心率—扭轉角—多極比”的組合，說明等效核的方向性得分。

5. 成員星系速度雙峰 / kSZ 號召（相位判定的鑰匙）

• 現象/困境：成員星系的紅移分佈常呈雙峰，指向兩團尚在“拉鋸”；若測到動能 SZ（kSZ），還能看到沿視線的整體流。核心難點是：相位判定（穿越前？穿越後？外掠？回落？）。
• 當代物理：將速度分佈與透鏡/X 射線形態、激波位置一起，與數值範本比對，推斷相位。
• EFT：在相同的幾何推斷下，“記憶/滯後”為解讀提供另一把尺：併合後不久，κ–X 偏移應更大，隨後按固定時間常數緩慢回歸。
• 可檢要點：在樣本族群上，用“速度雙峰間距 + 激波位置”作橫軸，觀察 κ–X 偏移的回歸軌跡是否集中於一段時間常數區間。

6. 能量閉環：動能 → 熱能 / 非熱能（是否“帳目相合”？）

• 現象/困境：理想情況下，併合的動能損失應當在 X/SZ 的熱化與射電的非熱裡找到去處；但在一些系統裡，效率與缺口的估計存在分歧。
• 當代物理：把差異主要歸因於微物理（黏性、導熱、磁抑制、電子‑離子非平衡）與投影效應。
• EFT：要求把這些項納入“先驗”，並讓 STG 的等效核受守恆約束（例如激波法向剖面決定的能量躍遷）。若需要靠額外自由度才能“吃掉”缺口，EFT 視為模型不足而非“解釋成功”。
• 可檢要點：在同一系統中，用統一的能量帳簿對 X+SZ（熱） 與 **射電（非熱）**做對賬；若 STG 核參數改變會導致能量閉環失衡，即需回爐。

7. 投影與幾何退簡並（“看上去像雙峰”的陷阱）

• 現象/困境：強烈的視線角度與衝擊參數依賴，可能把單峰“看成”雙峰，或把偏移“看大/看小”。多模態聯合是出路，但並不總是容易。
• 當代物理：聯合透鏡（γ 場）、X/SZ 剖面與成員星系速度場來“破簡並”，並借助大樣本統計。
• EFT：鼓勵在可觀測層直接並聯前向（不要先把 γ 場固定反演為品質圖）：CDM+GR 一路，EFT（STG/TBN）一路；同一似然下比較殘差與資訊準則，而非先驗誰對。
• 可檢要點：殘差圖是否在同一天區、同一資料下同參（同一組參數）就能壓到同一水準。

8. 跨樣本複現與跨尺度一致性

• 現象/困境：一個模型在“子彈團”成功，不代表能在“埃爾戈多”或其它併合幾何上也成功；同時，低紅移的併合解讀還要與早期宇宙的刻度（例如 CMB/BAO）對得上。
• 當代物理：這正是其強項——同一套暗物質與引力框架，從 CMB→BAO→LSS→併合都能對表（雖有細節爭論）。
• EFT：需要 TBN 負責早期“刻尺”、STG 負責晚期回應，並保證“一把尺從早期帶到今天”不被挪位；同時，用同一組 STG 核超參數在多個併合系統複用。
• 可檢要點：BAO 的“相位鎖定”與透鏡/增長的同參閉合；同一核在多系統的可遷移性。

三、各自的優勢與不足

1. 當代物理（ΛCDM + GR）

• 優勢
  1. 跨尺度一致性已有大體閉環：從 CMB 的聲學峰、BAO 的標準尺，到弱透鏡與紅移畸變的增長率，再落到併合幾何與能量學。
  2. 工程化成熟：N 體 +（磁）流體的模擬生態完善，參數與誤差管理相對標準化。
  3. 直觀解釋“錯位”：無碰撞的暗物質穿越、可碰撞氣體滯後——這件事在併合圖像上非常“順眼”。
• 不足/挑戰
  1. 微物理系統學：ICM 的黏性、導熱、磁抑制、電子‑離子非平衡等不確定，會把“能量閉環”與“激波馬赫數”拖入誤差泥沼。
  2. 極端個案的動力學與形態細節（超高相對速度、特殊多極矩組合）時常需要精細先驗或樣本選擇。
  3. 時間指紋（相位滯後/記憶）並非框架內的“自然產物”，複製這些曲線時有時靠幾何調節才能做到相似。

2. EFT（STG/TBN + TPR/PER）
   • 優勢
     1. 事件條件化與記憶性：等效引力回應隨“洶湧度”動態增減，並帶滯後/回歸，對“κ–X 偏移隨相位演化”的解釋更直接。
     2. 方向性與非局域性：同一組“各向異性核”參數有望同時解釋“偏心率—扭轉角—多極矩”的組合；並預測激波法向—透鏡主軸的對齊統計特徵。
     3. 觀測管線更“理論中立”：鼓勵在可觀測層直接並聯對比（γ‑map、X/SZ 剖面、射電譜圖），減少“先驗劇情”帶來的循環論證。
   • 不足/挑戰
     1. 跨尺度拼接仍在建設：TBN 要一次性複現 CMB 細節並把“刻尺”無挪位地帶到 BAO；STG 要與弱透鏡兩點/增長率同參閉合。
     2. 能量與躍遷的硬約束必須顯式入模，防止等效核以自由度“吃掉系統學”。
     3. 可遷移性要用資料說話：同一核參數需在多併合系統複用而不掉線，否則“普適性”不足。

四、可檢承諾

• 看“錯位‑相位”：同一併合系統裡，κ–X 偏移是否隨“洶湧指標”單調變化，並在“後穿越期”呈滯後回歸？
• 看“對齊”：激波法向/射電遺跡與透鏡主軸的對齊統計是否顯著？
• 看“能量賬”：X+SZ 的熱化功率與射電的非熱功率能否自洽對上併合動能損耗？
• 看“複用”：一組固定的模型參數能否在多個併合系統上“複用不散架”？
• 看“跨尺度”：早期的“聲學尺”從 CMB 到 BAO 是否相位守恆，同時晚期的弱透鏡兩點與增長率在同參下閉合？

小結

• 星系團併合是檢驗宇宙重力與物質構成的“天然實驗室”。
• 當代物理與 EFT 在許多觀測上給出相容但哲學不同的解釋：一個以“看不見的品質”作主角，一個以“事件驅動的地形響應”作主角。
• 哪條路更好，不取決於口號，而取決於：是否能在同一批資料上，少假設、少自由度、跨樣本、跨尺度、把能量賬也算平。本節的八項指紋與五條“看圖備忘”，便是面向讀者與研究者的共同檢查清單。