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 全“讲、比”组办发〔2014〕11号

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创新成果

2016/9/19
追寻科学之美

文/刘荣 毛艳玲

    “Biu”的一声,奔波了13亿光年,穿越无数星系来到地球的引力波信号,就这样猝不及防地“闯”入了曹军威的耳膜,让他的心激荡起层层涟漪。
多年前选择先进计算技术作为研究方向时,曹军威不曾想过,这项在不少“接地气”领域广泛应用的技术,有一天也能在引力波探测这样“高冷”的科学领域发挥作用,而作为天文物理的“门外汉”,能够参与并见证引力波被探测到的神圣时刻,这让曹军威觉得“至少比100年来的许多科学家都要幸运!”
     有人说,生活不止眼前的苟且,还应该有诗和远方的田野。
对搞研究的人来说,科研也不只眼前的利益,还应该有对未知的憧憬和追求。这是科研最扣人心弦的地方,也是曹军威和他所在的清华大学引力波研究团队,一直在追寻的科学之美!

 时空的涟漪

     北京时间2016年2月11日晚,激光干涉引力波天文台(LIGO)科学合作组织,以及美国国家科学基金会向全世界宣布,人类首次探测到了引力波,全球科学界瞬间沸腾。在中国,曹军威和他的团队也因在这次探测任务中作出贡献,跃入公众的视线。
    引力波是爱因斯坦广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动,就像石头丢进水里产生的波纹一样,被视作宇宙中的“时空涟漪”。这次探测到的引力波,是两个分别为29倍太阳质量和36倍太阳质量的超恒星级黑洞合并产生的信号,已经在宇宙中“旅行”了13亿光年。
据了解,地球围绕太阳以每秒30千米的速度前进,发出的引力波功率还不及家用电饭煲的功率大。宇宙中大质量天体的加速、碰撞和合并等事件,才可以形成强大的引力波,但能产生如此强的引力波的波源又都距地球十分遥远,传到地球时已经变得很微弱。因此,引力波探测有着常人无法想象的难度。

      
    从爱因斯坦1916年预测出引力波,到2016年LIGO探测到引力波,整整跨越了一百年,全球众多物理学家、天文学家为证明引力波的存在做出了无数努力。其中,从1974年开始,美国物理学家泰勒和同行用了30年时间对其发现的脉冲双星系统进行持续观测,首次得到了引力波存在的间接证据。上世纪60年代,马里兰大学物理学家韦伯设计了一种共振型引力波探测器,虽然最后没能找到引力波,但却开创了引力波实验科学的先河。上世纪70年代,美国麻省理工学院物理学家Rainer Weiss等人基于迈克尔逊干涉仪原理,提出并设计了引力波激光干涉探测方案。
但是,由于引力波探测对仪器的灵敏度要求极高,直到上世纪90年代,所需的相关技术条件才逐渐趋于成熟。1991年,加州理工学院与麻省理工学院在美国国家科学基金的资助下,开始联合建设“激光干涉引力波天文台(LIGO)”。  

                  

          
    据悉,LIGO的主要部分是两个互相垂直的干涉臂,臂长4000米。两臂交会处,从激光光源发出的光束被一分为二,分别进入互相垂直并保持超真空状态的两空心圆柱体内,然后被终端的镜面反射回原出发点,并在那里发生干涉。若有引力波通过,便会引起时空变形,一臂的长度会略微伸长,而另一臂的长度则略微缩短,这样就会造成光程差发生变化,因此激光干涉条纹就会发生相应变化。
 通俗来说,这就像池塘中的水波,将漂浮物放置在水面上,当有波浪经过,物体便会在水面上沉浮不定。LIGO安置的镜面扮演的就是漂浮在引力波中的悬浮物,通过在干涉臂之间往返的激光,探测仪会记录下镜子间距离的轻微变化。
     为了排除干扰因素,减少不确定性的误差,LIGO在美国路易斯安那州的利文斯顿和华盛顿州的汉福德安置了两台完全相同的探测器,彼此相距3000公里,只有当两个探测器同时检测到相同的信号,才有可能是引力波。LIGO于1999年初建成,2002年开始运行,并于2007年和2015年进行了两次升级改造,灵敏度提高了10倍。此次的引力波信号就是由激光干涉引力波天文台捕捉到的。
曹军威透露,这个信号发生在13亿光年前,最终来到地球其实只有不到1秒的时间。而在这不到1秒之前的一个礼拜,他们才刚完成两个天文台的完善工作,使其刚好可以达到能探测到引力波的精度。曹军威觉得这就像上天注定般,实在是太神奇、太美妙了!

 数据分析的贡献

    据了解,LIGO是目前全世界最大、灵敏度最高的引力波探测器,它从2003年就开始了引力波的相关数据收集。业内对这项研究有一个形象的比喻:捕捉两个黑洞合并产生的引力波,相当于在1公里的长度上找到比肉眼难见的原子核半径还要小1万倍的空间变化,并且这其中还掺杂着大量辐射波、噪音等干扰信息。
     LIGO的引力波数据采样频率非常高,每秒钟达到16000次以上,并且两个天文台加起来有上万个采样信道。它们获取到的数据既包括激光干涉仪引力波探测器输出的数据,还包括各种独立的对探测器的环境和设备状态进行监控的探测器和记录仪,如温度、气压、风力等监测数据。这些数据庞大、繁杂,需要强大的计算机资源与先进算法,才能有效处理如此巨大的数据量。
曹军威当时在美国从事计算机网络技术相关研究,在数据管理方面十分有优势。2004年7月,他加入美国麻省理工学院LIGO实验室,开始了这次引力波探测之旅。随着研究的深入,曹军威逐渐了解了引力波探测的重要性,也意识到一个重要问题——这么有价值、意义非凡的研究,竟然没有来自中国的队伍参与,他萌生了回国组建研究团队的念头。

  
    2006年,曹军威回到母校清华大学,联合计算机系的两名教师,成立清华大学引力波研究团队。2009年,这支队伍正式被LIGO科学合作组织接受,成为中国大陆唯一的LIGO科学合作组织成员。
曹军威团队的主要任务,是利用计算机自动化手段优化算法,以提高探测数据分析的精度和效率,并借助高速计算系统完成引力波数据分析、噪声分析和信号处理等工作。用一句话来解释,就是采用先进信息技术,实现引力波数据处理工作的高速运转和快速比对。
    据曹军威介绍,这次探测到的引力波信号,实际上发生在2015年9月14日5点51分,3分钟后LIGO天文台的在线程序流水线探测到了这个信号。这个流水线叫Coherent Waveburst,即cWB流水线。这个过程中,曹军威团队的主要任务就是从计算机自动化角度出发,找到可以大幅提升cWB运行效率的路径,采用GPU技术加速cWB运行速度,将其效率提高10倍甚至更高。
     在有模型比对的流水线,如CBC流水线的工作中,曹军威和团队联合西澳大利亚大学,也采用GPU技术对CBC进行了加速,将其处理速度提高了50多倍,目前为止已经能够达到120多倍。最后的分析结果表明,这个信号信噪比达到了23以上,标准希格码值达到了5以上,这在天文发现中就被认为是一个新发现。
     能够参与如此意义非凡的工作,对曹军威和他的团队而言,是对他们能力和专业的肯定和认可,见证引力波被探测到的那一刻,心情自然是无比的激动。但在这之前,探测器的灵敏度还不足以达到能够探测引力波时,他们所做的则是漫长又枯燥的噪声分析。
曹军威说,区分引力波信号和其他干扰信号是引力波数据分析的关键。很多时候,一架飞机飞过或者一列火车开过,都会影响到探测器的动作。而他们的任务就是通过分析这些噪声的来源,不断改进和提高探测器的灵敏度。
     为此,他们采用了人工智能领域的核心方法——机器学习法,对大量的噪声数据进行比对和关联分析,分析各个不同信道数据之间的关联。“如果某个信道事件跟引力波信道事件的耦合性较强,就可据此‘否决’引力波信道事件。”曹军威表示,这就相当于将引力波信号探测由一个物理问题转化成了数据分析处理问题,而对数据本身关联性的判断正是机器学习法的强项,也是他们团队的专长。
     曹军威还带领团队参与了引力波数据计算基础平台的构建,采用网络、工作流和云计算等先进计算技术及系统优化方法,开发出数据分析软件工具,被来自全球90多家科研院所的900余位LIGO科学合作组织成员广泛使用。
     整个过程中,曹军威和团队取得了“GPU加速引力波暴数据分析和实现低延迟实时致密双星并合信号的搜寻”、“采用机器学习方法加强引力波数据噪声的分析”及“进行实时引力波暴搜索以支持多信使天文学”等多项成果,并作为LIGO科学合作组织成员,在《自然.》、《物理评论》、《天体物理》等知名杂志、期刊上发表了数十篇论文,单篇最高引用900余次。
这些成果和贡献,为成功探测引力波提供了数据处理支撑,也使我国在引力波重大国际前沿研究突破中占据了一席之地,曹军威和团队也因此被誉为是成功探测引力波背后的“中国力量”。

 科研的意义

     科学探索的需求一直是计算机技术发展的驱动力之一。引力波探测除了天文物理学上的意义外,对曹军威来说,参与这样一个对数据处理要求极高,对计算技术挑战极大的项目,可以有更多机会掌握第一手应用需求,以便后续更好地开展计算机应用研究。
就如一位业内人士所说,研究引力波数据分析技术尽管没有直接商业价值,但后续却可以考虑将这些数据分析处理技术应用到其他领域,比如引力波数据分析,就可以迁移到光谱数据分析、FAST探测数据分析等领域。而曹军威团队探索人工智能领域的技术在引力波数据分析中的应用,发展新的算法,无疑也会促进人工智能研究领域的发展。
      虽然这一切现在看来还只是设想,可就像引力波一样,100年前,它也只是爱因斯坦的一个预言,但今天随着科技的发展,我们证实了它的存在,把不可能变成了可能。
人类是渺小的,科学的海洋是浩瀚无穷的,但从古至今,人类一直以渺小之躯一步步在科学的海洋里拨开黑暗寻找光明,这个过程艰苦却浪漫。清华大学一位科研人员说过,你的发现留在历史上,作为你的一个标志一直传下去,某种意义上是一种永生。这是一种科研境界,也是曹军威和团队向往和追寻的科学之美!

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