引力波的探测和数据分析还需要多学科背景的研

2019-08-28 14:58栏目:国际学校
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清华大学研究员曹军威在宁揭秘引力波:

引力波,感受时空震颤的涟漪

摘要: 众里寻它千百度。近一个世纪的求索后,人类终于聆听到宇宙深处的声音。美国“激光干涉引力波天文台”(LIGO)成功探测到引力波,背后有十多个国家、千余名研究人员的艰辛付出。 ...众里寻它千百度。近一个世纪的求索后,人类终于聆听到宇宙深处的声音。美国“激光干涉引力波天文台”(LIGO)成功探测到引力波,背后有十多个国家、千余名研究人员的艰辛付出。其中,中国清华大学的科研团队以高精度的数据分析能力帮助“净化”了引力波探测中的干扰信号,加速了迈向星辰大海的征程。“数海寻珠”助力搜索2009年,清华大学被LIGO科学合作组织(LSC)接受为正式成员,也是目前中国大陆唯一的LSC成员。清华大学信息技术研究院研究员、LSC理事会成员曹军威是清华大学LIGO工作组负责人。“这次发现的确美妙和激动人心,但日常工作中的海量数据分析并不总是令人愉快,”曹军威日前接受新华社记者专访时说。这一研究团队着重应用先进计算技术提高引力波数据分析的速度和效率,参与了LSC引力波暴和数据分析软件等相关研究。为了捕捉“虚无缥缈”的引力波,研究者们苦练“内功”。曹军威说,最大的挑战在于LIGO数据的采样频率特别高,达到每秒1万6千次以上,采样信道达上万个,数据量大,需要先进的计算机处理技术做支撑,提高数据处理效率,这也是清华团队的工作重点。例如,引力波数据分析极为关键的一步是区分引力波信号和其他干扰信号。清华团队将人工智能领域的核心“机器学习”方法用于加强引力波数据噪声分析。对引力波信号的提取有一个非常直观的做法,就是将引力波信道的事件和其他环境信道的事件进行比对,如果引力波信道的某类事件跟某些环境信道的事件耦合性比较强,就可以据此“否决”引力波信道的事件。这样,引力波信号探测的物理问题被转化成了一个数据分析处理问题。曹军威说,对数据本身关联性的判断正是机器学习的强项,也正是具有自动化和计算机学科背景的清华团队所擅长的。“漫长的时间里LIGO探测器并没有达到设计精度,是探测不到真正的引力波信号的,可以认为实际大家在处理的全都是噪声,可就是在对这些噪声的一点一滴的处理中不断积累经验,不断提升仪器的精度,才有了今天的探测灵敏度,”他说。一个典型的引力波应变大约在质子直径的万分之一,具有极高灵敏度的LIGO探测器才能够测量出如此微小的变化。在曹军威看来,探测器的精度提升和数据分析处理相辅相成,最终成就了引力波探测的成功,这是全世界千余名研究人员共同努力的结果。“高冷科研”彰显魅力曹军威认为,引力波被直接探测具有双重意义:从物理学的角度,就是证实了爱因斯坦广义相对论的一个重要预言;从天文学的角度,是开启了一扇前所未有的探索宇宙的新窗口,开创了引力波天文学的新时代。引力波的探测和数据分析还需要多学科背景的研究者联合工作,这也带动了光学、工程、计算机等多学科的前沿发展。曹军威说:“科学探索的需求一直是计算机技术发展的驱动力之一。LIGO项目对数据处理要求极高,对计算技术挑战很大,清华参与LIGO项目也是希望掌握第一手的应用需求,有的放矢地开展计算机应用研究。”国际上引力波科学研究和观测工作如火如荼,而中国在这方面基础相对薄弱,目前还没有自主建设的引力波天文台。曹军威认为,接下来中国亟需自主建设引力波天文台,既要脚踏实地培养人才,又要有开放合作的心态,充分借鉴国际上已有研究和实验成果,并大力加强跨领域合作。不过,把引力波的发现用于科幻迷们期待已久的时空穿越和星际通信,还需漫长的等待。“科学的发展往往很有趣,有人总结过,如果某个科学家预言某种事情一定做不成,事实往往会证明预言的错误,所以我们不敢说时空穿越和星际通信在遥远的未来一定不会实现,因为事实上确实有严肃的科研工作者在研究这些问题,”曹军威说。这一看似“高冷”的基础科学突破,在普通人中也掀起涟漪。“这就是基础科学研究的魅力所在,任何人与生俱来就会有的好奇心,驱使大家有兴趣去琢磨一下,虽然大多数人不会以此为职业,”曹军威说。据曹军威介绍,在这次引力波探测成功的消息发布过程中,世界各地LIGO科学合作组织中的华人学者也自发组成团队,夜以继日把最新成果资料翻译成中文,第一时间呈现给国内读者。在LIGO官方发布消息的12小时内,多篇由一线研究者和学界专家撰写的深入浅出的解读性文章,通过互联网、移动端密集发布,使得艰深的科学发现“飞入寻常百姓家”。一名读者在一篇科普文章下评论道:“多年以后,面对浩瀚星海,远航的星舰文明将会回想起2016年2月11日,人类公开宣布首次探测到引力波信号的那个遥远夜晚。”

中国智慧助力“捕捉”引力波

来源:人民日报海外版 2016-2-19 彭训文


  13亿年前,两个恒星量级黑洞相互碰撞,大约3倍于太阳质量的物质转化为引力波,并以光的速度向外扩散。13亿年后,这列“涟漪”在2015年9月14日扫过太阳系,被美国科学家利用激光干涉引力波天文台首次捕捉到。这一重大成果直接印证了爱因斯坦100年前关于引力波的预测,打开了人类探索宇宙的新窗口。这一消息在上周公开发布后,全球科学界瞬间沸腾。

聆听宇宙远古的天籁之音

  2月11日晚,中国公众还处在猴年春节假期的欢乐气氛中,曹军威则早早打开了电脑,神情庄重地守着直播。他所在的清华大学研究团队,是中国大陆唯一的激光干涉引力波天文台科学合作组织成员。作为参与者,他知道,一个震撼物理学界、天文学界乃至整个科学界的重磅消息即将发布。

  北京时间23时30分,美国加州理工学院、麻省理工学院、LSC和美国国家科学基金会联合举行新闻发布会。加州理工学院LIGO项目执行主任戴维·赖茨以一种尽量稳重的姿态走上讲台,但神情难掩激动:“女士们,先生们,我们检测到了引力波,我们确实检测到了引力波。这是真的,我认为这是人类在科学上的登月壮举。”

  在一片嘈杂的背景噪音中,一声“噗”的清脆声响,如水滴落水,持续时间短暂得不到1秒,这正是现场播放的由引力波转化成的宇宙之声。

  这是人类利用激光干涉引力波天文台首次探测到引力波。2015年9月14日,LIGO项目组修建的利文斯顿激光干涉引力波天文台记录下这个非常明确的引力波信号。7毫秒后,另一个名为汉福德的天文台记录下相同信号。

  为避免“乌龙事件”,科学家经过大量复杂的计算和分析后得出结论,这是在距地球13 亿光年处的两个黑洞相撞后产生的引力波。这两个黑洞,一个质量相当于29个太阳质量,一个相当于36个太阳质量,它们不断旋转靠近,最终相撞,合并成一个相当于62个太阳质量的黑洞,而相当于3个太阳的质量转化为引力波,并向外辐射,释放的峰值能量比整个可见宇宙释放的能量还要高出约50倍。

  不过,虽然携带的能量很大,但引力波实际对物质产生的作用却十分微弱。以这次被捕获的引力波为例,其作用大概为一个氢原子的五百亿分之一那么微小,尚不能挪动电荷。

有助于揭示宇宙“婴儿期”的奥秘

  虽然作用很微弱,但引力波对人类来说却是意义非凡。美国麻省理工学院物理系研究员苏萌表示,射电、光学、伽马射线等电磁波谱研究,研究的都是来自于光子携带的信息,引力波携带着与电磁波截然不同的信息,将为我们揭示宇宙新的奥秘,比如黑洞与黑洞并合时的物理过程。如果能探测到宇宙大爆炸时发出的原初引力波,那将为我们揭示宇宙诞生之初的奥妙。

  LIGO项目组发言人、路易斯安那州立大学物理学家加布里埃拉·冈萨雷斯形象地宣称,人类从此长了“耳朵”,能“听”到宇宙大爆炸,并“看”到整个宇宙中黑洞的形成。在她看来,人类此前的天文学发现都好似“眼睛”,而引力波携带的大量信息打开了认识宇宙的新方式。

  1916年,广义相对论的创立者爱因斯坦预测,引力起源于物质在时空中运动时质量对空间的扭曲;如果大质量物体运动,例如两个黑洞碰撞,所产生的曲率变化会像波一样向外传播,导致时空压缩、伸展,这个现象就是引力波。

  打个比方,引力波就像在宇宙某个角落敲一面大鼓,其“震荡”会以引力波的形式在宇宙间几乎毫无阻力地传播。但它对物质造成的形变非常微小,仅有亚原子量级,要探测到它,好比在一个喧闹的聚会上辨别一首低吟的歌,这被世界公认为最难检验的尖端科技之一。

中国科学家深度参与贡献独特

  中国科学家虽然不是此次“捕捉”引力波的主要贡献者,但同样是其中的参与者,并做了大量开创性的工作,贡献了“中国智慧”。在公布的为此发现做出贡献的人员名单中,数位中国科学家的名字赫然在列。

  从2009年开始,清华大学信息技术研究院研究员、LSC理事会成员曹军威和他团队里的另外 5 名研究人员就参与了 LSC 引力波暴和数据分析软件两个工作组的相关研究,侧重提高引力波数据分析的速度和效率。

  “29个太阳质量”、“36 个太阳质量”、“13亿光年”……这串看似简单的数据,背后是设在世界十几个地点的大型集群计算机对信号的海量分析处理。

  “LIGO 数据的采样频率达到每秒1.6万次以上,采样信道达上万个,这需要先进的计算机处理技术做支撑。” 曹军威说,他们的工作就是采用信息技术支撑这些软件的正常运行,提高它们的运行效率,同时研究数据驱动的新型分析方法。6年来,他所在的团队参与构建了引力波数据计算基础平台,把探测器GPU的信息处理速度从原有的 58 倍提升到了 120 倍以上。他们开发的数据分析软件工具被LSC成员广泛使用。

“发现引力波有望冲刺诺贝尔奖”

来源:南京日报 2016-5-15 毛庆


  今年2月,美国科学家宣布探测到引力波,全球科学界瞬间沸腾。昨天,清华大学研究员曹军威在省科普周主会场作报告《时空涟漪——引力波》,揭秘引力波的前世今生。他透露,因为引力波的发布时间是2月份,下一届诺贝尔奖评选是九十月份,所以如果不出意外的话,这次可能会获得诺贝尔奖。

  曹军威所在的清华大学研究团队,是中国大陆唯一的激光干涉引力波天文台科学合作组织成员。他和团队里的另外5名研究人员参与了LSC引力波暴和数据分析软件两个工作组的相关研究,侧重提高引力波数据分析的速度和效率。

  曹军威说,人类观测宇宙的传统手段是大到数十米口径、高到位于太空的天文望远镜,这种探测方式只能是针对能够发光或者反光的物体或者事件,最典型的便是恒星。然而,宇宙中大量存在的不发光物体及事件,却无法通过望远镜“看到”。引力波为我们提供了观察宇宙的另一个视角,从宇宙大爆炸开始到现在,宇宙一直在演化,这个过程中产生了不同频段的引力波。此次美国科学家探测到的引力波,是距离地球13亿光年的地方,发生了两个大质量黑洞的并和,引力波经过13亿年的光速运行,直到今天才被地球上的科学家监测到。

  许多人会问,引力波的发现会对普通人的生活产生什么影响?曹军威表示,一个新的科学发现,总会给人类社会带来无法预估的发展前景。电磁波刚被发现的时候,也没有人知道它会给人类带来什么,但是现在不管是电视机还是移动电话,都与电磁现象有关。不过,把引力波的发现用于科幻迷们期待已久的时空穿越和星际通信,还需漫长的等待。

■本报记者 张晶晶

100年前爱因斯坦广义相对论预言了引力波的存在,经过半个世纪的搜寻,这一宇宙学的“世纪悬案”于2016年2月11日有了结果。由美国麻省理工学院、加州理工学院以及美国国家科学基金在华盛顿特区发布:人类首次直接探测到引力波!

2月27日,由未来论坛主办的“解密:引力波——时空震颤的涟漪”在清华大学大礼堂举行。加州理工学院物理学教授、美国物理学会会士、LIGO科学联盟核心成员陈雁北,清华大学信息技术研究院研究员曹军威,北京师范大学天文系教授朱宗宏,清华大学天体物理研究所所长毛淑德,中国科学院高能物理研究所研究员张双南,中国科学院物理所研究员丁洪联袂奉献了一场科学盛宴。

从被预言到被直接探测,人类对引力波的探索已经历经百年。在主题演讲中,陈雁北系统地介绍了物理学界是如何利用LIGO促成这一划时代科学发现的。

他浅显易懂地说明了引力波探测装置的工作原理:用激光干涉的方法来测量。激光打到一个分束镜,分成两束,沿着很长的距离传播以后,在镜子上分别反射,打回到分束镜上。如果两束的臂长一样,这两束打回来的光会在分束镜上合成一束从入射口回去,另外一口是没有光的。但是,如果有引力波,镜子的位置改变,产生的位移就会导致两束返回的光在分束镜上的相位有所变化,导致在没有光的口会产生信号光。把信号光检测出来以后,就可以探测出引力波。这种方法的好处是可以使臂长变得很长,越长就越可以放大引力波导致的镜子的运动。

“利用这个装置,在2015年9月14日,我们用这两个探测器分别发现了两个时间为0.2秒的引力波事件。这个图是将两个信号以0.7毫秒的时延错位以后,发现它们的波形也在很大程度上吻合。”

众多顶尖科学家聚集在荒野郊区,经年累月地守候地外传来的信息,这是独属于宇宙与科学家的浪漫。陈雁北表示,自己虽然是研究引力波的,但亲眼看到这个信号的时候,也感觉非常不可思议。他说:“如果回顾一下这个事件,是两个距离地球13亿年黑洞合并的信息传播到了地球,整个信号的长度只有0.2秒。今天的引力波探测只是一个起点,在未来,我们会有多波段的引力波探测,说明今天的探测不但是广义相对论和黑洞的直接验证,也可以说是新的天文学观测手段。”

在欧美对引力波的探测已经卓有成效之时,其他国家的尝试也不遑多让。LIGO团队在回答为什么要做引力波探测这么“辛苦而艰难”的问题时曾道:“这就是科学,我们不挑容易的事做。”如今,各国的科学家也有着相同的决心。

早在2009年,清华大学就被LIGO科学合作组接受为正式成员,曹军威正是清华大学LIGO工作组负责人。在本次讲座上,曹军威透露,科学探索的需求一直是计算机技术发展的驱动力之一。LIGO项目对数据处理要求极高,对计算技术挑战很大,清华参与LIGO项目也是希望掌握第一手的应用需求。“我们非常自豪有机会来见证这样一个事件。多年以后,面对浩瀚星海,远航的星舰文明将会回想起2016年2月11日,人类公开宣布首次探测到引力波信号的那个遥远夜晚。”曹军威表示。

而在美国科学家宣布首次探测到引力波之后,曾荣获诺贝尔物理学奖的东京大学宇宙线研究所所长梶田隆章随后就表示将在日本使用已基本完成的引力波望远镜“神乐”,于2017年启动对引力波的正式探测。在本次理解未来讲座上,北京师范大学天文系教授朱宗宏也介绍了中国和其他国家在引力波探测方面的最新进展。“1865年麦克斯韦发现了电磁波,100多年以来人类的一切都变化了。1916年爱因斯坦预言了引力波存在,100年后人类探测到了引力波。它最终将会怎样影响科学和人类的生活,我们还不清楚。其实引力波的探测同时也是一个天文项目,可以用它作为观测宇宙的全新的窗口,我们每次用新的波段去观察宇宙的时候,都会对天文学有不一样的惊喜发现。”

陈雁北介绍说,除了地面引力波探测,未来还会进行多波段引力波天文学的研究,今天的引力波探测不但是广义相对论和黑洞的直接验证,也可以说是新的天文学观测手段。“比如欧洲的爱因斯坦探测器是第三代的引力波探测器,可以覆盖1赫兹~10千赫兹。空间引力波探测可以探测到0.1毫兹~1赫兹之间的引力波,可以观测到星系中心超大质量黑洞碰撞的过程。这对于研究星系的形成演化是非常重要的,空间探测引力波是研究宇宙的另外一个重要方式。还有一种是用脉冲星定时的方式。脉冲星是一些中子星会发射出非常稳定的电磁信号,如果到达地球的时候有微小的偏差有可能是因为引力波导致的,它也可以探测超大质量黑洞并合的过程。最后就是在微波背景上测量宇宙大爆炸时的引力波背景形成的遗迹。”

在本次讲座上,共有来自全国各地的千余名观众热心参与。他们中有专业人士,也有热爱科学的普通人。“理解未来”系列讲座由未来论坛倾力打造,是面向社会大众开放的高质量月度科普讲座,目标是成为中国科学传播的最重要平台之一。

《中国科学报》 (2016-03-11 第3版 科普)

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