感受时空震颤的涟漪

100年前爱因斯坦广义相对论预言了引力波的存在，经过半世纪的搜寻，这一宇宙学“世纪悬案”于2016年2月11日有了结果：人类首次直接探测到引力波！顿时各界沸腾！

这一“高冷”的基础科学突破在普通人中也掀起了涟漪，就让知力君带领大家，聆听引力波研究领域的权威们如何深度解密“引力波”！

陈雁北

加州理工学院物理学教授、美国物理学会会士、LIGO科学联盟核心成员

1916年，爱因斯坦在他的方程中发现了所谓的弱引力场下的解，这个解便描述了引力波。从类比的方法来看，引力波很像水面上的波动。当水面振荡时，它的振荡会以水波的形式传播出去。同样的，时空几何的振荡会以引力波的形式传播。不同的是，在爱因斯坦方程中，引力波是按照光速传播的。

引力波是如何作用于物质的呢？我们类比于水波的图像。水波有一个波长，半波长以内浮在水面上的船，随着水波上下运动，距离较近的船，它们由水波导致的高度差就较小，而相距较远的船，由水波引起的高度差就较大。

引力波也是类似的现象，两个自由下落的物体，当引力波入射时，这两个物体之间的距离会产生变化。产生距离变化的比例是引力波的振幅h。也就是说，距离为L的两个物体，在引力波入射时，它们的距离变化大约是Lh。只要在波长以内，它们的距离越远，引力波导致的距离变化就越大。

 引力波引起距离的变化

更详细地说：引力波是一个横波，它影响的是跟引力波传播方向垂直平面之内的距离。沿着引力波方向的距离是没有变化的。

引力波的数学发现以后，大家就考虑，引力波的物理效果是否可以被观测到？通过爱因斯坦的计算，他认为引力波是非常难产生的现象。产生足够大的引力波需非常大质量的或者是非常高能量的物体以非常快的速度运动。

20世纪90年代，美国国家科学基金会资助了世界上第一个大规模的引力波探测项目——激光干涉引力波观测站（LIGO）。LIGO有两个非常大的探测器，一个建在利文斯顿（Livingston），一个建在汉福德（Hanford）。

LIGO这两大探测器的干涉的灵敏度非常高，对镜子位置的测量达到10-18米。怎么形容呢？如果人头发丝的细度是10-6米，降低1万倍就变成氢原子的细度是10-10米，再减少10万倍，就是氢原子核的细度是10-15米。因此，这个探测器的测量能达到氢原子核大小的1/1000，是非常灵敏的仪器。

既然可以测到这样灵敏的位移变化，要保证没有其他因素可以导致比这个还大的干扰信号。一个必要条件是将光干涉系统放在非常高的真空里，防止气体分子对激光传播的影响导致虚假的信号。另外就是要把反射光的镜子悬挂起来，把镜子和地面的振动完全隔离开。这样就可以形成灵敏度非常高的引力波探测装置。

 旋转的双中子星，正走向碰撞

2015年9月14日，我们用这两个探测器分别发现了两个时间为0.2秒的引力波事件。我们发现这两个信号以0.7毫秒的时延错位以后，他们的波形也在很大程度上吻合。

从波形中分析出这个事件是由两个黑洞碰撞而导致的。两个黑洞的质量是36倍和29倍的太阳质量，最后形成的黑洞是62倍的太阳质量。通过波振幅的大小可推算出这个事件离地球的距离是13亿光年。通过这个波形，也对广义相对论的推论进行了初步检验。

这次观测的数据是从2015年9月份到今年1月份观测数据的一部分，还有很大一部分是需要处理的，期待着有更多的双黑洞碰撞事件。

除了双黑洞的碰撞过程，地面引力波探测还可探测各种各样的天文事件，如双中子星的碰撞过程。在LIGO看到双中子星碰撞的过程，这对我们理解中子星的结构、探索伽马射线暴的根源是有指导意义的。

利用LIGO还可以探索宇宙弦系统，这是早期宇宙中有可能形成的拓扑缺陷，能量分布呈不均匀的脉动的弦状结构。最后也可能对宇宙大爆炸开始时产生的原初引力波背景进行探索。

除了地面引力波探测，未来还会进行多波段引力波天文学的研究。如欧洲的爱因斯坦探测器是第三代的引力波探测器，可覆盖1赫兹至10千赫兹。空间引力波探测可探测到0.1毫兹至1赫兹之间的引力波，可观测到星系中心超大质量黑洞碰撞的过程。这对于星系的形成演化是非常重要的。

目前引力波探测只是一个起点，未来我们会有多波段的引力波探测。今天的引力波探测不但是广义相对论和黑洞的直接验证，也是新的天文学观测手段。

曹军威

清华大学信息技术研究院研究员、清华大学天体物理中心兼职研究员，

LIGO科学合作组织成员

 LIGO公布探测到的引力波信号的数据波形

陈教授将引力波的探测、原理、实验这些部分给大家做了非常系统的介绍。我想结合我们参与引力波探测的实际工作，简单介绍一下引力波的数据分析。

实际上科学家最后看到的信号是从数据分析系统中看到的。这里面显示的是一个在线的数据分析，它的一些突出事件的信息会非常快、实时地反映在控制室里，我们能实时看到并进行分析，这个我们叫在线的数据分析。

另外一方面，还有离线的数据分析，那就是我们需要大量的计算机，大量的存储，分布在全世界各个研究机构，让大家共享一些数据资源，我们叫它离线数据分析。

我们最终看到的这个引力波的信号，它在数据分析里是怎样一个过程呢？简单跟大家介绍一下。

这个事件发生在2015年9月14日，第一个“信息”（message）发生在2015年9月14日5点54分，在信号发生3分钟后，我们LIGO在线的程序流水线就探测到了这个信号，这个流水线我们叫Coherent Wave burst，CWB流水线，能很简单地在线测量信号的能量。如果LIGO的两个天文台测得了一致性的信号，我们就把它作为一个“候选人”（重点天文事件的研究对象）拿出来。这次的引力波事件在3分钟内，我们没有模型的流水线就拿到了这样的信号。

我们清华大学也参与了LIGO的CWB流水线的工作，我们是从计算机自动化的角度，利用GPU技术加速了CWB的运行效率。即把由很多部分组成的程序拿来，分析其中哪些是能加速的拿出来加速，并把加速效果最好的部分拿出来给大家，这样就能将CWB的运行效率提高10倍甚至更高。

我们在数据分析中，除了处理这些没有模型的流水线，还参与了比如CBC的流水线。它是一种可以有一些模型，再用这些模型去比对这些数据的分析工作。此次引力波事件的数据分析中，最后的显示是非常显著的。同时，它的信噪比达到了23以上，标准的希格玛值达到5以上，通常值达到5以上就被认为是“发现”（该天文事件发生的证据）。这次发现引力波事件在后期的数据分析中，无论是没有模型的分析，还是有模型的分析，都达到了很高的显示度。

 聆听时空震颤的涟漪

在此次事件中，我们清华大学也做了这个背景到底该怎么计算的工作。其中一种计算方法是，我们拿到了一个月的数据去做背景，然后看这个信号（此次的引力波事件的信号）跟背景对比是什么关系。另一种是把这个信号放在背景里做出一个背景。这两种不同的计算方式对判断它们是不是同一个信号起了不同作用。还好这次的“发现”无论是哪种方法，这个信号都非常突出，我们也对这个系统误差的方法做了一定的工作。

此外，此次事件中我们清华大学还用GPU的方法对有模型的比对流水线进行了加速。这项工作是和西澳大利亚大学共同开展的。这个流水线在线时没看到这个信号（他们在线时在搜索更小质量的双星系统，没看到此次引力波的信号），但在离线处理这个数据时验证了这个信号。我们用GPU加速的流水线可提高处理速度50多倍，目前能提高120多倍，这也是我们清华大学团队的一个工作。

现在LIGO仪器的灵敏度达到了一定的程度，我们能够探测到引力波信号了。其实很长一段时间内，我们的探测器还探测不到引力波信号。此时，数据分析在做一项什么工作呢？它在做怎样来分析这些噪声的工作，这些噪声到底来源于哪里？通过数据分析能够辨别出这些噪声的来源，如源自飞机飞过，或一辆火车开过等，这些噪声都可能影响探测器的运作。我们能通过噪声分析进而提高仪器的灵敏度，其实能帮助仪器提高灵敏度，也是数据分析的贡献之一。

最后，我们清华大学还参与了整个引力波数据的计算机平台的工作。引力波的数据量虽没有高能物理那么大，但也是PB（petabyte，它是较高级的存储单位）的量级，也很大，在LIGO各个合作组织里有几PB的数据分散在各地。全世界有几百万科学家在访问这些数据，这一平台我们也在参与着做。我们跟澳大利亚合作的过程中发现，全球网络未来是非常重要的一个方面，它可以提高天文事件探测的精度和定位的精度。

清华大学在LIGO的合作组织中只是其中一员，LIGO有几十家单位，几百位科学家参与其中。有一部分成员是做仪器的，但更多科学家是做数据分析工作的。这次引力波的发现，我们非常有幸能参与其中，可以说2016年2月11日宣布了这一发现，我们清华大学团队非常自豪见证了这一事件。

多年以后，面对浩瀚星海，远航的星舰文明将会回想起2016年2月11日，人类公开宣布首次探测到引力波信号的那个遥远夜晚。