DCTS/docs/spectrum_correctness_analysis.md

收敛恒星光谱的物理正确性保证调研

调研日期：2026-08-04 范围：TLUSTY 208 + SYNSPEC 54 计算的恒星大气与光谱的物理正确性保证方法。 前置文档：docs/task_failure_detection_analysis.md（程序"是否崩溃/收敛"的判定，是本调研的下层）。 核心命题：程序正常退出（rc=0）且 max_relc < chmax ≠ 光谱在物理上正确。本文调研介于两者之间的静默错误来源与验证方法。 方法：源码级静态分析 + 天体物理方法学综述 + 三方独立复核。

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0. TL;DR

当前 pipeline 对光谱正确性的保证基本停留在"数值收敛"层面，完全没有做物理不变量校验。三方调研发现：

1. 最高 ROI 缺口：TLUSTY 已经无条件地把能量守恒诊断（TOTAL SURFACE FLUX、逐深度 RAD/TOT、CON/TOT、(RAD+CON)/TOT）写进已归档的 .6 文件，却从未被任何 Rust 代码解析。这是 Hubeny 官方推荐的 1% 判据，零成本可得，是物理正确性的第一道硬门槛。
2. 系统性的配方风险：fort55_writer.rs 写的字段 idrv/ifreq 与 SYNSPEC 实际读取的 IDSTD/IPRIN 错位（已核实），导致所有光谱的标准深度参考点与输出详尽度偏离预期。
3. 网格级错误传播：通过 converged && !nan 门控上传的种子大气（.7），会把"伪收敛但物理未平衡"的点扩散给整个物理族——这是网格计算特有的静默放大机制，现有检查无法识别。
4. 完整的方法学分层（§6）：硬门槛（线上每点）→ 质量监控（抽样）→ 深度核查（线下基准比对），覆盖辐射平衡、光谱自洽、网格一致性、外部基准四个维度。

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1. 当前已产出但未利用的物理诊断

这是后续做正确性校验的基础——很多信息 TLUSTY/SYNSPEC 已经产出，只是我们没解析。

1.1 能量守恒诊断（最关键，零成本可得）

TLUSTY 在 LFIN（最终迭代）时由 OUTPRI 子程序无条件写出，位于 .6 文件（unit 6，已归档）：

TOTAL SURFACE FLUX 6.77712339D+12        ← 实际积分通量 TOTF
ID  MASS  TAUROSS  TEMP  NE  DENS  P_gas  LOG(G_rad)  RAD/TOT  CON/TOT  (RAD+CON)/TOT
 1  ...                                         8.913E-01  0.000E+00  8.91264E-01

• FLTT = SIG4P * TEFF**4（预期通量 = σTeff⁴/4π，SIG4P 见 BASICS.FOR:51）
• RAD/TOT = 辐射通量 / σTeff⁴
• (RAD+CON)/TOT = 总通量（辐射+对流）/ σTeff⁴ —— 此列应≈1.0
• 实测样本（发散模型 max_relc≈1e21）：(RAD+CON)/TOT ≈ 0.891，即 11% 能量守恒违反；收敛良好模型应≈1.0

关键事实：.6 已在归档白名单（STAGE_SNAPSHOT_SUFFIXES 含 "6"），但 crates/ 下无任何代码解析它。数据已就位，只差一个 .6 解析器写入 conv.json。

1.2 辐射平衡逐深度残差（被覆盖丢失）

TLUSTY RECHCK 子程序（tlusty208.f:49854）在 LFIN 时无条件调用，逐深度计算 re=(吸收−发射)/发射 写入 unit 17（fort.17）。但 unit 17 随后被 SYNSPEC OUTPRI 覆盖写连续谱（synspec54.f:3371）——成功路径下 RECHCK 输出永久丢失，仅 SYNSPEC 失败时 .cont 里残留的才是 RECHCK 表（这也是 .cont 后缀二义性的来源）。

修复方向：仿照 .bfac/.emflux 的快照做法，在 RECHCK 后/SYNSPEC 前快照 fort.17。

1.3 其他未启用 / 未解析的诊断

诊断	子程序	unit→文件	启用条件	现状
能量守恒总表	OUTPRI	6→.6	无条件	已产出，未解析（最高 ROI）
辐射平衡逐深度	RECHCK	17→.cont	无条件	被 SYNSPEC 覆盖丢失
统计平衡残差	CHCKSE	16→fort.16	ICHCKP≠0（nst 未设）	未启用
冷却/加热率	COOLRT	86/87/88	ICOOLP≠0（nst 未设）	未启用
出射辐射场谱	OUTPRI	13→fort.13	无条件	白名单排除（result_filter.rs:179）
TLUSTY 出射谱	OUTPRI	14→.emflux	无条件	已快照归档，未解析（可做 bolometric 积分）
b 因子（NLTE 偏离）	OUTPRI	12→.bfac	无条件	已快照归档，未解析
SYNSPEC 谱线统计	START/OUTPRI	6→.log	无条件	已归档，未解析（含 LINES-TOTAL、波长范围、等效宽度）

1.4 conv.json 的现状

ModelSummary / StageSummary / ConvCheckResult（models.rs）记录的字段全部是数值收敛指标（max_relc, last_iter, worst_depth, synspec_rc 等），没有任何物理正确性字段（能量守恒、辐射平衡、统计平衡残差）。

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2. 静默错误的物理来源

"程序正常退出但光谱物理错误"的四层来源，按严重度排序。每层给出源码证据与可检测性。

2.1 第一层：TLUSTY 大气结构错误（光谱错误的根因）

错误来源	物理后果	源码证据	当前是否捕获	严重度
NITER 截断被当收敛	大气未达统计平衡，布居数错误	tlusty208.f:14728 LFIN=ABS(CHMX).LE.CHMAX.OR.ITER.GE.NITER，OR 短路：CHMX 再大也会因 ITER≥NITER 判 LFIN	部分（conv_check.rs 重判 max_relc<chmax，但若截断时"刚好"<chmax 则通过）	极高
ACCEL2/Ng 加速伪收敛	加速外推后下次 CHMX 人为变小，提前判收敛但平衡未达成	tlusty208.f:29693-29797，无加速后发散回退检查	未捕获（max_relc 变小与真收敛难区分）	高
模型截断但物理不充分	关键 H/He 跃迁被省略，NLTE 种群错误但程序正常	gen_input5.rs 固定 H=9lev、HeI=14、HeII=14；远低于 MLEVEL=1134 上限	未捕获（需物理判断）	高
ND=50 深度网格偏稀	大气结构分辨率不足，谱合成输入质量差	nst_writer.rs:6 ND=50；BASICS.FOR:9 MDEPTH=100	未捕获（需对比 ND=99）	中-高

2.2 第二层：SYNSPEC 谱合成错误

错误来源	物理后果	源码证据	当前是否捕获	严重度
★fort.55 字段错位	标准深度取最深层（IDSTD=50=ND 而非自动 2ND/3≈33）、输出详尽度偏离、Lyman 线翼开关被误设	fort55_writer.rs:5 写 imode,idrv,ifreq；SYNSPEC :253 读 IMODE,IDSTD,IPRIN —— 已核实错位	未捕获	高（系统性）
NLTE 静默降级为 LTE	匹配不上的 NLTE 线被 set to LTE，线强度错误但程序继续	synspec54.f:9114-9176，仅写 fort.11 计数	未捕获（DCTS 不解析 fort.11）	高
IBFAC=0 默认全程按 LTE 读种群	fort.8 不含/不全含 NLTE 种群时种群保持 LTE 不替换	synspec54.f:1157 IBFAC=0 默认；:11220 NUMP>IP 才替换	未捕获	高
波长网格步长固定且窗口窄	窄线被漏掉，谱"正常但缺线"	fort55_writer.rs:12 SPACE=0.01；默认窗口仅 1400-1410Å（runner.rs:522）	未捕获	中-高
线表缺失（只链 fort.19）	缺关键谱线，有计数但无"应有线却缺失"校验	runner.rs:540 symlink 单一线表；:9157 NLIN0 计数	未捕获	高

2.3 第三层：数据传递与种子继承（网格级错误放大）

错误来源	物理后果	源码证据	当前是否捕获	严重度
★种子继承的错误传播	伪收敛点的 .7 通过 converged && !nan 门控上传为种子，被相邻 SeedStep 点热启动，错误沿网格拓扑传播；directed_cno_distance 倾向选贫方向，一个坏种子可污染整个 Teff/logg 族	executor.rs:193 种子门控；seed_finder.rs 最近邻选种	未捕获（坏种子本身"通过"了所有检查）	极高

2.4 第四层：编译/数值精度

错误来源	物理后果	源码证据	当前是否捕获	严重度
生产编译无 -fcheck/-ffpe-trap	数组越界、IEEE 异常 → rc=0 + 静默写越界内存，产出无 NaN 标记但物理错误的大气	deployment.md:86,90 gfortran -fno-automatic -O3	未捕获（详见 task_failure_detection_analysis.md §4 漏洞 3）	高

详见 task_failure_detection_analysis.md 的 gfortran 运行时错误退出码实测表。

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3. 天体物理验证方法学

每个方法标注：验证的物理不变量、操作步骤、容差判据、所需数据、实现难度、线上/线下。

3.1 大气模型层面（TLUSTY 产出）

方法	验证的物理不变量	容差/判据	所需数据	难度	时机
通量守恒	每深度 πF(rad+conv)=σTeff⁴	(RAD+CON)/TOT 偏离 1 ≤1%（Hubeny 官方判据）；任一深度 >5% 直接判坏	.6 末表	低	线上
max_relc 收敛门槛	状态向量相对修正已可忽略	< chmax（默认 10⁻³，对 sdB/早型星合理；精密线分析可收紧到 10⁻⁴）	*_chmax*.9	低（已实现）	线上
假收敛排查	max_relc 单调下降 ≥3 个量级	初始/最终 max_relc ≥10³	fort.9 全序列	中	抽样
NaN/Inf 否决（收紧）	所有深度点温度/密度为有限物理值	任意 1 行命中即否决（当前 10% 阈值过松）	.7	低	线上
温度结构边界	T(τ) 落在物理合理范围	表层 T ≲ 2-3×Teff；idstd 处 T≈(2/3)Teff；总体 10¹-10⁸ K	.7	中	抽样
统计平衡残差（NLTE）	跃迁平衡 R_ij·n_i=R_ji·n_j、粒子数守恒	b 因子无 NaN/Inf；关键能级 b∈10⁻³-10³	.bfac	中	抽样

对 TLUSTY 的已知坑：(a) fort.9 缺失分支无条件判收敛 + 虚构 best_max_relc=0.0（见 task_failure_detection_analysis.md 漏洞 2）；(b) Kantorovich 加速的伪收敛风险；(c) 表层（worst_depth=1）最易出 NaN。

3.2 光谱合成层面（SYNSPEC 产出）

方法	验证的物理不变量	容差/判据	所需数据	难度	时机
NaN/负值/零行否决（最关键）	归一化谱∈[0,1]，绝对流量≥0，无 NaN/Inf	0 容忍（任意一个即判坏）	.spec、.cont	低	线上
Rayleigh-Jeans 尾 Planck 检验	长波端连续谱 → Bλ(Teff)	斜率与 Bλ(Teff) 一致；偏离 >20% 异常	.cont + Teff	中	抽样
总积分流量能量守恒	∫Fλ dλ ≈ σTeff⁴（bolometric）	偏离 <1-2%	.emflux（全频率范围）	中	抽样
连续谱自洽（TLUSTY vs SYNSPEC）	同波长点 .emflux 与 .cont 水平一致	连续谱区差异 <1-2%	.emflux + .cont	低	抽样
Balmer 线基准	Hα/Hβ EW 随 Teff/logg 已知行为	线心深度∈(0,1)；sdB 的 Hβ EW 约 5-15Å；高 Teff(>30kK) 不应异常强	光学 .spec	中	抽样
He 线电离序列	He II/He I 强度比随 Teff 单调	比值突变 = NLTE 电离平衡错	光学 .spec	中	抽样

归一化谱 vs 绝对流量谱：归一化谱只验线形/线强，不能验能量守恒；绝对流量谱（.emflux、.cont）才能验通量守恒与 Planck。两者必须分别处理。

3.3 网格层面（内部一致性）

方法	验证的物理不变量	容差/判据	所需数据	难度	时机
相邻点平滑性（一阶差分）	光谱随参数连续变化	连续谱单步 Δ<10-15%；线 EW<30%	全网格 .cont/EW	中	线下
二阶差分 / 离群点检测	光谱无孤立异常	r>4σ 或 |残差|>20% 标 outlier	全网格光谱	中	线下
沿等参数线单调性	Balmer/He 线随 Teff/logg 已知单调趋势	出现锯齿/反转 = 可疑	全网格光谱序列	低	线下
收敛质量地图	max_relc 在网格上无孤立坏区	孤立高 max_relc 点（邻居都收敛）= 可疑	全网格 conv.json	低	线下

已知坑：网格在 80kK+He-poor+富金属区有真实物理极限（CNO 高价离子主导不透明度，线性化无法阻尼）——这片成片失败是物理真实的，不应误判为 bug；但孤立单点失败（邻居都好）才需要复查。

3.4 外部基准比对（ground truth）

基准	验证什么	容差/判据	数据来源	难度	时机
Lanz & Hubeny 2003/2007 网格	与社区标准 TLUSTY/SYNSPEC 网格逐点一致	连续谱 <1-2%，线轮廓 <5%	tlusty.oca.eu（OSTAR2002/BSTAR2006，免费）	中	建库时
NLTE-OBGRID	Hubeny 更新版网格（更完整 H 原子）	同上	MAST archive.stsci.edu/hlsp/nlte-obgrid	中	建库时
PHOENIX / CASTELLI / ATLAS9	与独立代码（不同物理近似）合理一致	光学几个百分点；UV(400nm)可达 10-20%	STScI	中-高	建库时
CALSPEC 实测标准星	终极 ground truth	Bohlin+2020：TLUSTY 白矮星网格 1500Å-30μm 一致到 1%	MAST（GD153/GD71/G191B2B）	高	深度核查
Gaia FGK 基准星	非光谱学基本参数（干涉/角直径）校验	gold standard	blancocuaresma.com/s/benchmarkstars	高	深度核查

实测比对必须考虑的系统误差：消光（RV=3.1）、视向速度、instrumental broadening（需 ROTINS 卷积）、距离/标度因子。

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4. 物理红旗清单（一票否决）

以下任一出现即光谱不可信，必须标记复查：

红旗	物理含义	检测方法
连续谱出现负值或 NaN	辐射转移数值失败	.spec/.cont 任意点 <0 或 NaN
归一化谱线心深度 >1（流量 <0）	线吸收过度/数值错	归一化谱任意点 <0 或 >1.05
.spec 全零或行数异常少	SYNSPEC 中途 quit 留脏数据	行数 <预期×0.9 或全零
总积分流量偏离 σTeff⁴ >2%	能量不守恒	积分 .emflux
通量守恒表末列偏离 1 >1%（任一深度）	辐射平衡未达	读 .6 末表
表层温度 >>Teff（如 >3×Teff）	T(τ) 结构非物理	读 .7 表层 T
热星（Teff>30kK）Balmer 线异常强	NLTE 电离算错	测 Hα/Hβ EW 比对基准
连续谱斜率与 Teff 不符	温度结构错	RJ 尾比对 Bλ(Teff)
沿 Teff 序列 Balmer/He 线非单调	局部点 NLTE 错	网格级单调性检查
孤立单点与四邻插值偏离 >20%	该点异常	离群点检测

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5. fort.55 字段错位问题（已核实的系统性 bug）

这是一个影响所有光谱的系统性问题，值得单独记录。

5.1 事实

• fort55_writer.rs:5 生成的第一行：imode, idrv, ifreq（值如 0, 50, 1）
• SYNSPEC synspec54.f:253 实际读取：IMODE, IDSTD, IPRIN
• 即 idrv=50 被当作 IDSTD=50，ifreq=1 被当作 IPRIN=1

5.2 影响

• IDSTD=50（=ND，最深层）：SYNSPEC 的标准深度（synspec54.f:2155）本应自动取 2*ND/3≈33，现被强制取最深层。标准深度是谱线多普勒宽度、Stark 加宽的参考层，取错层会让线翼轮廓参考错误深度。
• IPRIN=1：SYNSPEC 的输出详尽度开关，影响 .log 里打印的诊断量多少。
• 第 3 行 IOPHLI=0（fort55_writer.rs:7 第一个 0）：synspec54.f:255 读取，IOPHLI 控制 Lyman 线翼处理，0 可能关闭相关处理。

5.3 处置

这是配方层面的 bug，需要单独修复（修正 fort55_writer.rs 的字段语义，使 IDSTD=0 自动、IPRIN/IPRIND 按需设置），并重算受影响的光谱。本调研仅记录，不含修复实现。

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6. 分层验证策略建议

按"必须做 / 建议做 / 可选做"分层，标注每项的现状与所需投入。

第一层：硬门槛（线上，每个点必跑，0 容忍，失败即标记重算）

#	校验项	现状	所需投入	依据
1	SYNSPEC .spec/.cont 内容校验（NaN/Inf/负值/全零/行数）	未做（漏洞 1）	低	task_failure_detection_analysis.md P0
2	大气 NaN 否决收紧到 0 行容忍	10% 阈值过松（漏洞 4）	低	conv_check.rs:212
3	max_relc < chmax + is_finite + fort.9 真实存在	已实现，但 fort.9 缺失分支有虚构值（漏洞 2）	低	runner.rs:417
4	通量守恒 (RAD+CON)/TOT 偏离 1 ≤1%（从 .6 提取）	未做（数据已就位）	低（写一个 .6 解析器）	§1.1，Hubeny 官方判据

第二层：质量监控（线上抽样 + 线下定期）

#	校验项	现状	所需投入
5	总积分流量 vs σTeff⁴（.emflux，偏离 <2%）	未做，数据已归档	中（bolometric 积分）
6	Rayleigh-Jeans 尾 Planck 斜率检验	未做	中
7	TLUSTY .emflux 与 SYNSPEC .cont 连续谱自洽	未做	低
8	假收敛排查（max_relc 下降 ≥3 个量级）	未做	中
9	收敛质量热图（网格级 max_relc 分布）	未做	低（数据在 conv.json）
10	温度结构边界（表层 T、idstd 处 T）	未做	中

第三层：深度核查（线下，建库时 + 每次配方变更时）

#	校验项	所需投入
11	与 Lanz & Hubeny 2003/2007 / NLTE-OBGRID 重叠点逐波长比对	中
12	与 PHOENIX/CASTELLI 独立代码比对	中-高
13	与 CALSPEC/SDSS 实测标准星比对	高
14	Balmer/He 线序列单调性与基准	中
15	网格二阶差分离群点检测	中
16	统计平衡残差 / b 因子合理性（.bfac）	中

配方变更触发规则

任何以下变更必须重跑第三层深度核查：CHMAX/NITER/ND 改动、原子模型/线表（fort.19）更新、TLUSTY/SYNSPEC 重编译（尤其加 -fcheck/-ffpe-trap）、丰度网格范围调整、fort.55 字段修复（§5）。

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7. 综合判断

当前 pipeline 在"光谱物理正确性校验"上基本没做 —— 只做了数值收敛性（max_relc）和最低限度的完整性（.7 无 NaN、synspec 退出码），完全没有能量守恒、辐射平衡、统计平衡这三项核心物理不变量校验。

投入产出比排序：

1. P0：解析 .6 的能量守恒诊断（§1.1）—— 数据已就位，Hubeny 官方 1% 判据，是物理正确性的第一道硬门槛。同时修 .spec 内容校验（§6 第一层）。
2. P1：fort.55 字段错位修复（§5）—— 影响所有光谱的系统性 bug，需修正后重算。
3. P1：网格级种子传播校验（§2.3）—— 这是网格计算特有的静默放大机制，可通过"同一物理族下游点的 max_relc/通量守恒分布异常"间接检测。
4. P2：质量监控层（§6 第二层）—— bolometric 积分、Planck 检验、连续谱自洽。
5. P3：建库时基准比对（§6 第三层）—— 与 Lanz & Hubeny 网格逐点比对是最直接的同代码 ground truth。

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8. 参考资料

官方文档

• Hubeny 2017, "A Brief Introductory Guide to TLUSTY and SYNSPEC"（arXiv:1706.01859）—— 通量守恒 1% 判据、假收敛、ND=50 B 星例、改丰度警告
• TLUSTY User's Guide III（arXiv:1706.01937）—— fort.9 收敛日志格式、unit 6 辐射平衡表
• TLUSTY User's Guide IV, Hubeny 2021（arXiv:2104.02829）—— CHMAX=10⁻⁴ 高精度例

社区基准网格（ground truth）

• OSTAR2002 / BSTAR2006（tlusty.oca.eu）—— Lanz & Hubeny 2003/2007 社区标准网格
• NLTE-OBGRID（MAST archive.stsci.edu/hlsp/nlte-obgrid）—— Hubeny 更新版
• WD-GRID（MAST archive.stsci.edu/hlsp/wd-grid）—— Bohlin+2020 白矮星 NLTE 网格，1500Å-30μm 对 CALSPEC 1% 一致

交叉代码比对

• Witzke+2021, MPS-ATLAS（A&A）—— 三代码流量差异：~400nm 最大，其他波段几个百分点
• CASTELLI/Kurucz ATLAS9（STScI）

本仓库内相关文档

• docs/task_failure_detection_analysis.md —— rc 不可靠性、fort.9/NaN 阈值漏洞、gfortran 退出码实测（第一层硬门槛的依据）
• docs/tlusty_result_artifacts.md —— fort 单元语义、.emflux/.bfac 快照、TLUSTY fort.14 与 SYNSPEC .spec 关系
• docs/PIPELINE.md —— 阶段链、nst 配方（ND=50、默认 CHMAX=0.001）、物理极限区

源码证据

• 能量守恒诊断：tlusty208.f:14179-14191,14271-14273（OUTPRI）；:49854（RECHCK）；实测 hotsd/tlusty (副本)/hhe35nl.6:334-339
• fort.55 错位：fort55_writer.rs:5 vs synspec54.f:253（已核实）
• 种子传播：executor.rs:193、seed_finder.rs