探測引力波的中國力量：清華團(tuán)隊(duì)助排除干擾信號

近一個(gè)世紀(jì)的求索后，人類終于聆聽到宇宙深處的聲音。美國“激光干涉引力波天文臺”（LIGO）成功探測到引力波，背后有十多個(gè)國家、千余名研究人員的艱辛付出。

其中，中國清華大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)以高精度的數(shù)據(jù)分析能力幫助“凈化”了引力波探測中的干擾信號，加速了邁向星辰大海的征程。

2009年，清華大學(xué)被LIGO科學(xué)合作組織（LSC）接受為正式成員，也是目前中國大陸唯一的LSC成員。清華大學(xué)信息技術(shù)研究院研究員、LSC理事會(huì)成員曹軍威是清華大學(xué)LIGO工作組負(fù)責(zé)人。

“這次發(fā)現(xiàn)的確美妙和激動(dòng)人心，但日常工作中的海量數(shù)據(jù)分析并不總是令人愉快，”曹軍威說。這一研究團(tuán)隊(duì)著重應(yīng)用先進(jìn)計(jì)算技術(shù)提高引力波數(shù)據(jù)分析的速度和效率，參與了LSC引力波暴和數(shù)據(jù)分析軟件等相關(guān)研究。

為了捕捉“虛無縹緲”的引力波，研究者們苦練“內(nèi)功”。曹軍威說，最大的挑戰(zhàn)在于LIGO數(shù)據(jù)的采樣頻率特別高，達(dá)到每秒1萬6千次以上，采樣信道達(dá)上萬個(gè)，數(shù)據(jù)量大，需要先進(jìn)的計(jì)算機(jī)處理技術(shù)做支撐，提高數(shù)據(jù)處理效率，這也是清華團(tuán)隊(duì)的工作重點(diǎn)。

例如，引力波數(shù)據(jù)分析極為關(guān)鍵的一步是區(qū)分引力波信號和其他干擾信號。清華團(tuán)隊(duì)將人工智能領(lǐng)域的核心“機(jī)器學(xué)習(xí)”方法用于加強(qiáng)引力波數(shù)據(jù)噪聲分析。對引力波信號的提取有一個(gè)非常直觀的做法，就是將引力波信道的事件和其他環(huán)境信道的事件進(jìn)行比對，如果引力波信道的某類事件跟某些環(huán)境信道的事件耦合性比較強(qiáng)，就可以據(jù)此“否決”引力波信道的事件。

這樣，引力波信號探測的物理問題被轉(zhuǎn)化成了一個(gè)數(shù)據(jù)分析處理問題。“漫長的時(shí)間里L(fēng)IGO探測器并沒有達(dá)到設(shè)計(jì)精度，是探測不到真正的引力波信號的，可以認(rèn)為實(shí)際大家在處理的全都是噪聲，可就是在對這些噪聲的一點(diǎn)一滴的處理中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，不斷提升儀器的精度，才有了今天的探測靈敏度，”曹軍威說。

一個(gè)典型的引力波應(yīng)變大約在質(zhì)子直徑的萬分之一，具有極高靈敏度的LIGO探測器才能夠測量出如此微小的變化。在曹軍威看來，探測器的精度提升和數(shù)據(jù)分析處理相輔相成，最終成就了引力波探測的成功，這是全世界千余名研究人員共同努力的結(jié)果。

引力波的探測和數(shù)據(jù)分析還需要多學(xué)科背景的研究者聯(lián)合工作，這也帶動(dòng)了光學(xué)、工程、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科的前沿發(fā)展。曹軍威說：“科學(xué)探索的需求一直是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力之一。LIGO項(xiàng)目對數(shù)據(jù)處理要求極高，對計(jì)算技術(shù)挑戰(zhàn)很大，清華參與LIGO項(xiàng)目也是希望掌握第一手的應(yīng)用需求，有的放矢地開展計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究。”

國際上引力波科學(xué)研究和觀測工作如火如荼，而中國在這方面基礎(chǔ)相對薄弱，目前還沒有自主建設(shè)的引力波天文臺。曹軍威認(rèn)為，接下來中國亟需自主建設(shè)引力波天文臺，既要腳踏實(shí)地培養(yǎng)人才，又要有開放合作的心態(tài)，充分借鑒國際上已有研究和實(shí)驗(yàn)成果，并大力加強(qiáng)跨領(lǐng)域合作。

據(jù)新華社