感受時空震顫的漣漪

100年前愛因斯坦廣義相對論預(yù)言了引力波的存在，經(jīng)過半世紀(jì)的搜尋，這一宇宙學(xué)“世紀(jì)懸案”于2016年2月11日有了結(jié)果：人類首次直接探測到引力波！頓時各界沸騰！

這一“高冷”的基礎(chǔ)科學(xué)突破在普通人中也掀起了漣漪，就讓知力君帶領(lǐng)大家，聆聽引力波研究領(lǐng)域的權(quán)威們?nèi)绾紊疃冉饷堋耙Σā保?/p>

陳雁北

加州理工學(xué)院物理學(xué)教授、美國物理學(xué)會會士、LIGO科學(xué)聯(lián)盟核心成員

1916年，愛因斯坦在他的方程中發(fā)現(xiàn)了所謂的弱引力場下的解，這個解便描述了引力波。從類比的方法來看，引力波很像水面上的波動。當(dāng)水面振蕩時，它的振蕩會以水波的形式傳播出去。同樣的，時空幾何的振蕩會以引力波的形式傳播。不同的是，在愛因斯坦方程中，引力波是按照光速傳播的。

引力波是如何作用于物質(zhì)的呢？我們類比于水波的圖像。水波有一個波長，半波長以內(nèi)浮在水面上的船，隨著水波上下運(yùn)動，距離較近的船，它們由水波導(dǎo)致的高度差就較小，而相距較遠(yuǎn)的船，由水波引起的高度差就較大。

引力波也是類似的現(xiàn)象，兩個自由下落的物體，當(dāng)引力波入射時，這兩個物體之間的距離會產(chǎn)生變化。產(chǎn)生距離變化的比例是引力波的振幅h。也就是說，距離為L的兩個物體，在引力波入射時，它們的距離變化大約是Lh。只要在波長以內(nèi)，它們的距離越遠(yuǎn)，引力波導(dǎo)致的距離變化就越大。

?引力波引起距離的變化

更詳細(xì)地說：引力波是一個橫波，它影響的是跟引力波傳播方向垂直平面之內(nèi)的距離。沿著引力波方向的距離是沒有變化的。

引力波的數(shù)學(xué)發(fā)現(xiàn)以后，大家就考慮，引力波的物理效果是否可以被觀測到？通過愛因斯坦的計算，他認(rèn)為引力波是非常難產(chǎn)生的現(xiàn)象。產(chǎn)生足夠大的引力波需非常大質(zhì)量的或者是非常高能量的物體以非?？斓乃俣冗\(yùn)動。

20世紀(jì)90年代，美國國家科學(xué)基金會資助了世界上第一個大規(guī)模的引力波探測項(xiàng)目——激光干涉引力波觀測站（LIGO）。LIGO有兩個非常大的探測器，一個建在利文斯頓（Livingston），一個建在漢福德（Hanford）。

LIGO這兩大探測器的干涉的靈敏度非常高，對鏡子位置的測量達(dá)到10-18米。怎么形容呢？如果人頭發(fā)絲的細(xì)度是10-6米，降低1萬倍就變成氫原子的細(xì)度是10-10米，再減少10萬倍，就是氫原子核的細(xì)度是10-15米。因此，這個探測器的測量能達(dá)到氫原子核大小的1/1000，是非常靈敏的儀器。

既然可以測到這樣靈敏的位移變化，要保證沒有其他因素可以導(dǎo)致比這個還大的干擾信號。一個必要條件是將光干涉系統(tǒng)放在非常高的真空里，防止氣體分子對激光傳播的影響導(dǎo)致虛假的信號。另外就是要把反射光的鏡子懸掛起來，把鏡子和地面的振動完全隔離開。這樣就可以形成靈敏度非常高的引力波探測裝置。

?旋轉(zhuǎn)的雙中子星，正走向碰撞

2015年9月14日，我們用這兩個探測器分別發(fā)現(xiàn)了兩個時間為0.2秒的引力波事件。我們發(fā)現(xiàn)這兩個信號以0.7毫秒的時延錯位以后，他們的波形也在很大程度上吻合。

從波形中分析出這個事件是由兩個黑洞碰撞而導(dǎo)致的。兩個黑洞的質(zhì)量是36倍和29倍的太陽質(zhì)量，最后形成的黑洞是62倍的太陽質(zhì)量。通過波振幅的大小可推算出這個事件離地球的距離是13億光年。通過這個波形，也對廣義相對論的推論進(jìn)行了初步檢驗(yàn)。

這次觀測的數(shù)據(jù)是從2015年9月份到今年1月份觀測數(shù)據(jù)的一部分，還有很大一部分是需要處理的，期待著有更多的雙黑洞碰撞事件。

除了雙黑洞的碰撞過程，地面引力波探測還可探測各種各樣的天文事件，如雙中子星的碰撞過程。在LIGO看到雙中子星碰撞的過程，這對我們理解中子星的結(jié)構(gòu)、探索伽馬射線暴的根源是有指導(dǎo)意義的。

利用LIGO還可以探索宇宙弦系統(tǒng)，這是早期宇宙中有可能形成的拓?fù)淙毕荩芰糠植汲什痪鶆虻拿}動的弦狀結(jié)構(gòu)。最后也可能對宇宙大爆炸開始時產(chǎn)生的原初引力波背景進(jìn)行探索。

除了地面引力波探測，未來還會進(jìn)行多波段引力波天文學(xué)的研究。如歐洲的愛因斯坦探測器是第三代的引力波探測器，可覆蓋1赫茲至10千赫茲?？臻g引力波探測可探測到0.1毫茲至1赫茲之間的引力波，可觀測到星系中心超大質(zhì)量黑洞碰撞的過程。這對于星系的形成演化是非常重要的。

目前引力波探測只是一個起點(diǎn)，未來我們會有多波段的引力波探測。今天的引力波探測不但是廣義相對論和黑洞的直接驗(yàn)證，也是新的天文學(xué)觀測手段。

曹軍威

清華大學(xué)信息技術(shù)研究院研究員、清華大學(xué)天體物理中心兼職研究員，

LIGO科學(xué)合作組織成員

?LIGO公布探測到的引力波信號的數(shù)據(jù)波形

陳教授將引力波的探測、原理、實(shí)驗(yàn)這些部分給大家做了非常系統(tǒng)的介紹。我想結(jié)合我們參與引力波探測的實(shí)際工作，簡單介紹一下引力波的數(shù)據(jù)分析。

實(shí)際上科學(xué)家最后看到的信號是從數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)中看到的。這里面顯示的是一個在線的數(shù)據(jù)分析，它的一些突出事件的信息會非常快、實(shí)時地反映在控制室里，我們能實(shí)時看到并進(jìn)行分析，這個我們叫在線的數(shù)據(jù)分析。

另外一方面，還有離線的數(shù)據(jù)分析，那就是我們需要大量的計算機(jī)，大量的存儲，分布在全世界各個研究機(jī)構(gòu)，讓大家共享一些數(shù)據(jù)資源，我們叫它離線數(shù)據(jù)分析。

我們最終看到的這個引力波的信號，它在數(shù)據(jù)分析里是怎樣一個過程呢？簡單跟大家介紹一下。

這個事件發(fā)生在2015年9月14日，第一個“信息”（message）發(fā)生在2015年9月14日5點(diǎn)54分，在信號發(fā)生3分鐘后，我們LIGO在線的程序流水線就探測到了這個信號，這個流水線我們叫Coherent Wave burst，CWB流水線，能很簡單地在線測量信號的能量。如果LIGO的兩個天文臺測得了一致性的信號，我們就把它作為一個“候選人”（重點(diǎn)天文事件的研究對象）拿出來。這次的引力波事件在3分鐘內(nèi)，我們沒有模型的流水線就拿到了這樣的信號。

我們清華大學(xué)也參與了LIGO的CWB流水線的工作，我們是從計算機(jī)自動化的角度，利用GPU技術(shù)加速了CWB的運(yùn)行效率。即把由很多部分組成的程序拿來，分析其中哪些是能加速的拿出來加速，并把加速效果最好的部分拿出來給大家，這樣就能將CWB的運(yùn)行效率提高10倍甚至更高。

我們在數(shù)據(jù)分析中，除了處理這些沒有模型的流水線，還參與了比如CBC的流水線。它是一種可以有一些模型，再用這些模型去比對這些數(shù)據(jù)的分析工作。此次引力波事件的數(shù)據(jù)分析中，最后的顯示是非常顯著的。同時，它的信噪比達(dá)到了23以上，標(biāo)準(zhǔn)的希格瑪值達(dá)到5以上，通常值達(dá)到5以上就被認(rèn)為是“發(fā)現(xiàn)”（該天文事件發(fā)生的證據(jù)）。這次發(fā)現(xiàn)引力波事件在后期的數(shù)據(jù)分析中，無論是沒有模型的分析，還是有模型的分析，都達(dá)到了很高的顯示度。

?聆聽時空震顫的漣漪

在此次事件中，我們清華大學(xué)也做了這個背景到底該怎么計算的工作。其中一種計算方法是，我們拿到了一個月的數(shù)據(jù)去做背景，然后看這個信號（此次的引力波事件的信號）跟背景對比是什么關(guān)系。另一種是把這個信號放在背景里做出一個背景。這兩種不同的計算方式對判斷它們是不是同一個信號起了不同作用。還好這次的“發(fā)現(xiàn)”無論是哪種方法，這個信號都非常突出，我們也對這個系統(tǒng)誤差的方法做了一定的工作。

此外，此次事件中我們清華大學(xué)還用GPU的方法對有模型的比對流水線進(jìn)行了加速。這項(xiàng)工作是和西澳大利亞大學(xué)共同開展的。這個流水線在線時沒看到這個信號（他們在線時在搜索更小質(zhì)量的雙星系統(tǒng)，沒看到此次引力波的信號），但在離線處理這個數(shù)據(jù)時驗(yàn)證了這個信號。我們用GPU加速的流水線可提高處理速度50多倍，目前能提高120多倍，這也是我們清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)的一個工作。

現(xiàn)在LIGO儀器的靈敏度達(dá)到了一定的程度，我們能夠探測到引力波信號了。其實(shí)很長一段時間內(nèi)，我們的探測器還探測不到引力波信號。此時，數(shù)據(jù)分析在做一項(xiàng)什么工作呢？它在做怎樣來分析這些噪聲的工作，這些噪聲到底來源于哪里？通過數(shù)據(jù)分析能夠辨別出這些噪聲的來源，如源自飛機(jī)飛過，或一輛火車開過等，這些噪聲都可能影響探測器的運(yùn)作。我們能通過噪聲分析進(jìn)而提高儀器的靈敏度，其實(shí)能幫助儀器提高靈敏度，也是數(shù)據(jù)分析的貢獻(xiàn)之一。

最后，我們清華大學(xué)還參與了整個引力波數(shù)據(jù)的計算機(jī)平臺的工作。引力波的數(shù)據(jù)量雖沒有高能物理那么大，但也是PB（petabyte，它是較高級的存儲單位）的量級，也很大，在LIGO各個合作組織里有幾PB的數(shù)據(jù)分散在各地。全世界有幾百萬科學(xué)家在訪問這些數(shù)據(jù)，這一平臺我們也在參與著做。我們跟澳大利亞合作的過程中發(fā)現(xiàn)，全球網(wǎng)絡(luò)未來是非常重要的一個方面，它可以提高天文事件探測的精度和定位的精度。

清華大學(xué)在LIGO的合作組織中只是其中一員，LIGO有幾十家單位，幾百位科學(xué)家參與其中。有一部分成員是做儀器的，但更多科學(xué)家是做數(shù)據(jù)分析工作的。這次引力波的發(fā)現(xiàn)，我們非常有幸能參與其中，可以說2016年2月11日宣布了這一發(fā)現(xiàn)，我們清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)非常自豪見證了這一事件。

多年以后，面對浩瀚星海，遠(yuǎn)航的星艦文明將會回想起2016年2月11日，人類公開宣布首次探測到引力波信號的那個遙遠(yuǎn)夜晚。