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觀測引力波用了什么科學儀器 
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清華大學科研團隊以高精度的數據分析能力幫助“凈化”干擾信號
據新華社北京2月13日電(記者彭茜)眾里尋它千百度。近一個世紀的求索后,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,背后有十多個國家、千余名研究人員的艱辛付出。
其中,中國清華大學的科研團隊以高精度的數據分析能力幫助“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。
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2009年,清華大學被LIGO科學合作組織(LSC)接受為正式成員,也是目前中國大陸唯一的LSC成員。清華大學信息技術研究院研究員、LSC理事會成員曹軍威是清華大學LIGO工作組負責人。
“這次發現的確美妙和激動人心,但日常工作中的海量數據分析并不總是令人愉快,”曹軍威日前接受新華社記者專訪時說。這一研究團隊著重應用先進計算技術提高引力波數據分析的速度和效率,參與了LSC引力波暴和數據分析軟件等相關研究。
為了捕捉“虛無縹緲”的引力波,研究者們苦練“內功”。曹軍威說,最大的挑戰在于LIGO數據的采樣頻率特別高,達到每秒1萬6千次以上,采樣信道達上萬個,數據量大,需要先進的計算機處理技術做支撐,提高數據處理效率,這也是清華團隊的工作重點。
例如,引力波數據分析極為關鍵的一步是區分引力波信號和其他干擾信號。清華團隊將人工智能領域的核心“機器學習”方法用于加強引力波數據噪聲分析。對引力波信號的提取有一個非常直觀的做法,就是將引力波信道的事件和其他環境信道的事件進行比對,如果引力波信道的某類事件跟某些環境信道的事件耦合性比較強,就可以據此“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化成了一個數據分析處理問題。曹軍威說,對數據本身關聯性的判斷正是機器學習的強項,也正是具有自動化和計算機學科背景的清華團隊所擅長的。
“漫長的時間里LIGO探測器并沒有達到設計精度,是探測不到真正的引力波信號的,可以認為實際大家在處理的全都是噪聲,可就是在對這些噪聲的一點一滴的處理中不斷積累經驗,不斷提升儀器的精度,才有了今天的探測靈敏度,”他說。
一個典型的引力波應變大約在質子直徑的萬分之一,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據分析處理相輔相成,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果。
“高冷科研”彰顯魅力
曹軍威認為,引力波被直接探測具有雙重意義:從物理學的角度,就是證實了愛因斯坦廣義相對論的一個重要預言；從天文學的角度,是開啟了一扇前所未有的探索宇宙的新窗口,開創了引力波天文學的新時代。
引力波的探測和數據分析還需要多學科背景的研究者聯合工作,這也帶動了光學、工程、計算機等多學科的前沿發展。曹軍威說:“科學探索的需求一直是計算機技術發展的驅動力之一。LIGO項目對數據處理要求極高,對計算技術挑戰很大,清華參與LIGO項目也是希望掌握第一手的應用需求,有的放矢地開展計算機應用研究。”
國際上引力波科學研究和觀測工作如火如荼,而中國在這方面基礎相對薄弱,目前還沒有自主建設的引力波天文臺。曹軍威認為,接下來中國急需自主建設引力波天文臺,既要腳踏實地培養人才,又要有開放合作的心態,充分借鑒國際上已有研究和實驗成果,并大力加強跨領域合作。
不過,把引力波的發現用于科幻迷們期待已久的時空穿越和星際通信,還需漫長的等待。
“科學的發展往往很有趣,有人總結過,如果某個科學家預言某種事情一定做不成,事實往往會證明預言的錯誤,所以我們不敢說時空穿越和星際通信在遙遠的未來一定不會實現,因為事實上確實有嚴肅的科研工作者在研究這些問題,”曹軍威說。
這一看似“高冷”的基礎科學突破,在普通人中也掀起漣漪。“這就是基礎科學研究的魅力所在,任何人與生俱來就會有的好奇心,驅使大家有興趣去琢磨一下,雖然大多數人不會以此為職業,”曹軍威說。
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