为引力波探测“加速”中国清华团队追求“快到极致”

本文摘要：没任何天文物理背景，计算机科学家曹军威却只想扑上去和引力波“纠结”了十多年。这让他更加相信，在未来的引力波观测中，运算速度将显得更加最重要，甚至必要事关胜败。去年10月，多国科学家宣告，人类首次必要观测到双中子星拆分产生的引力波及其预示的电磁信号，令其全球天文界震动。动态引力波数据监测示例。 新华社发图片由都志辉获取只不过，引力波找到的过程，就是一场与时间的长跑。

没任何天文物理背景，计算机科学家曹军威却只想扑上去和引力波“纠结”了十多年。这让他更加相信，在未来的引力波观测中，运算速度将显得更加最重要，甚至必要事关胜败。去年10月，多国科学家宣告，人类首次必要观测到双中子星拆分产生的引力波及其预示的电磁信号，令其全球天文界震动。动态引力波数据监测示例。

新华社发图片由都志辉获取只不过，引力波找到的过程，就是一场与时间的长跑。美国“激光干预引力波天文台”（LIGO）找到引力波信号后的1．7秒，美国费米太空望远镜就观测到疑为对应的伽马射线暴。LIGO和费米立刻向天文界发送到警报，随后，全球大约70个地面及空间望远镜从红外、紫外、X光等有所不同波段进行全面的先前观测。

正是因为观测到了电磁信号，科学家才能在茫茫宇宙中更进一步精确定位出有引力波的源头。这样的合作模式打开了“多信使天文学”的大幕，这意味著更好更加谜样的宇宙谜团将一步步由此揭露。

天文学新时代的来临比曹军威预料的早，这让他非常高兴。正如他所辨别的，一个关键因素是运算要慢，越快越好。2004年，还在国外求学工作的曹军威凭借计算机方面的特长重新加入了麻省理工学院LIGO实验室，从此和引力波结为不解之缘。

2009年，他率领清华大学信息技术研究院工作组（全称“清华工作组”）重新加入LIGO科学合作的组织，参予数据处理工作。“当时我们是LIGO科学合作的组织里唯一的中国工作组，也是很独有的一个工作组，因为我们所有成员都没天文物理背景，而是专门从事计算机和自动化研究的。”曹军威说道。前五年，清华工作组主要侧重于计算出来平台搭起和数据分析。

但是，基于专业脆弱和自身特长，他们随后把提升运算速度作为自己的目标。然而，“慢到淋漓尽致”到底有什么意义，当时很多人回应并没清晰明确的了解。“我们一开始就明确提出，较慢运算可以服务于多信使天文学，因为这必须在引力波信号找到后，马上协商其他设备联合观测，当然是算数得越快越准越好。

”曹军威说道，“只是没想到，这一切远比这么慢。”一方面，曹军威和他的清华同事有了大展才华的空间，另一方面，他们也将面对更好的挑战和压力。LIGO于2017年8月25日完结第二次科学运营，并计划于今年七八月间开始第三次科学运营，这期间的主要工作是升级探测器，进一步提高灵敏度。

“灵敏度提升了，观测到引力波的几率就不会大大增加。原本有可能一年找到几次信号，将来有可能每月，甚至每天都能找到信号，现在的数据处理速度还相比之下跟上这个节奏。

”曹军威说道。清华大学LIGO科学合作的组织工作组成员都志辉老师在展开学术交流。

新华社发图片由都志辉获取据介绍，LIGO科学合作的组织还包括上千名科学家，其中约400名负责管理修建和运营天文台，其余都是专门从事数据处理分析工作的。他们分为多个组来处置观测数据，比如引力波暴数据分析组（Burst）、颗粒双星分立数据分析组（CBC）、连续波数据分析组（CW）以及引力波随机背景数据分析组（Stochastic）等。“清华工作组只分担了其中较小一部分，现在主要参予CBC的加快工作、探寻用于计算机神经网络展开数据处理等。

”曹军威说道。为了便利大众理解引力波，科学家们每次都会把LIGO的根本性科学找到转换成生动直观的图像甚至是视频，而它们只不过源于LIGO探测器每秒取样16000次构成的密集数据。这些数据，要经过除噪、核对等一系列处置，才能可供研究引力波之用。为此，清华工作组和西澳大学合作，创建了一条新型的较低延后引力波数据处理流水线：首先，天文台将观测数据包传输到数据中心；然后，对这些数据展开预处理；接下来，将预处理后的数据与大量引力波数据模板展开较慢分段给定，以确认信号是不是引力波；最后，收到预警，协同观测。

“以前，这个过程大约必须几分钟。后来，我们对滤波算法展开了加快，可以在1秒内已完成数据和上万个引力波数据模板的给定，从而把整个过程延长到十几秒。

我们下一步的目标是3至5秒。”同在清华工作组里的都志辉副教授说道。“引力波对应的电磁信号的找到，才是印证了高性能并行计算的必要性。当引力波过来时，一些预示引力波的电磁信号间隔时间有可能十分较短，意味着只有几秒，要捕猎这些迅速经常出现又十分一段时间的电磁信号，就必需构建引力波数据的精确较慢处置，甚至是‘零延后’。

”都志辉说道。不过，目前LIGO的数据分析还无法几乎构建自动化，工作组要轮流当值，人工检查数据产生的启动时。

“我们正在尝试引进人工智能，如果顺利，将来就不必须人来检查，并可以自动给定波形，用更加较短的时间处置更好的信号，并更慢地得出结果。”曹军威说道。清华工作组在LIGO科学合作的组织中的累积和创意，将为中国未来的引力波观测项目获取宝贵的经验。曹军威指出，在基础较为脆弱的科研领域，中国应当积极参与国际合作，培养人才，积蓄力量。

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