中国清华团队为引力波探测“加速”

新华社北京2月26日电(记者全晓舒)没有任何天体物理学背景的计算机科学家曹十多年来一直致力于与引力波的“纠缠”。这使他更加确信，在未来的引力波探测中，计算速度将变得越来越重要，甚至直接关系到成败。

去年10月，许多国家的科学家宣布，人类首次直接探测到两颗中子星合并产生的引力波及其伴随的电磁信号，震惊了全球天文学界。

实时引力波数据监测实例。新华社发送杜智慧提供的图片

事实上，引力波发现的过程是一场与时间的竞赛。在LIGO发现引力波信号1.7秒后，美国费米太空望远镜观察到疑似伽马射线爆发。LIGO和费米立即向天文学界发出了警报。随后，世界各地约70架地面和空间望远镜从不同波段，如红外线、紫外线和x光，开展了全面的后续观测。正是因为探测到了电磁信号，科学家们才能够进一步确定宇宙中引力波的来源。

这种合作模式揭开了“多信使天文学”的帷幕，这意味着越来越多的神秘的宇宙之谜将逐步得到解决。

天文学新时代的到来比预料的要早，这使他非常高兴。据他判断，关键因素之一是计算越快越好。

2004年，同样在国外学习的曹凭借其计算机专业知识加入了麻省理工学院实验室，从此与引力波结下了不解之缘。2009年，他带领清华大学信息技术研究所工作组(以下简称“清华工作组”)加入LIGO科学合作组织并参与数据处理。

“当时，我们是LIGO科学合作组织中唯一的中国工作组，也是一个非常独特的工作组，因为我们所有的成员都没有天体物理学背景，但从事计算机和自动化研究。”曹对说:

前五年，清华工作组主要致力于计算平台建设和数据分析。然而，基于他们的专业敏感度和他们自己的专长，他们将提高计算速度作为他们的目标。然而，在那个时候，许多人并没有对“到达极端”的含义有一个清楚的理解。

“我们从一开始就提出，快速计算可以为多信使天文学服务，因为它需要协调其他设备，以便在发现引力波信号时立即进行观测。当然，计算速度越快，精确度就越高。”曹说:“我只是没想到这一切来得这么快。”

一方面，曹和他在清华的同事有很大的人才空间。另一方面，他们也将面临更多的挑战和压力。

LIGO将于2017年8月25日完成第二次科学运行，并计划于今年7月和8月开始第三次科学运行。这一时期的主要工作是升级探测器并进一步提高其灵敏度。“随着灵敏度的增加，探测引力波的概率将大大增加。最初的信号一年可能会被发现几次，以后每个月甚至每天都会被发现。目前的数据处理速度仍然远远落后于这一节奏。”曹对说:

清华大学LIGO科学合作组织工作组成员杜智慧老师正在进行学术交流。新华社发送杜智慧提供的图片

据报道，LIGO科学合作组织包括数千名科学家，其中约400人负责天文台的建设和运行，其余从事数据处理和分析。它们被分成若干组来处理探测数据，例如引力波爆发数据分析组(Burst)、紧凑二进制联合数据分析组(CBC)、连续波数据分析组(CW)、引力波随机背景数据分析组(random)等。

“清华工作组只承担了其中的一小部分，现在主要参与加速基于内容的计算，并探索使用计算机神经网络进行数据处理。”曹对说:

为了让公众更容易理解引力波，科学家们每次都将LIGO的重大科学发现转换成生动直观的图像，甚至是视频，这些图像实际上来自每秒采样16000次的LIGO探测器形成的密集数据。这些数据在用于研究引力波之前，必须经过一系列的处理，例如去噪和比较。

为此，清华工作组和西澳大利亚大学建立了一种新型的低延迟引力波数据处理管道。首先，天文台将观测数据打包并传输到数据中心。然后，对这些数据进行预处理。接下来，预处理数据和大量引力波数据模板被快速并行匹配，以确定信号是否是引力波。最后，将发布预警和协调观察。

“以前，这个过程大约需要几分钟。后来，我们加速了过滤算法，使数据在一秒钟内与数万个引力波数据模板匹配，从而将整个过程缩短到十秒钟以上。我们的下一个目标是3到5秒。”清华工作组的副教授杜智慧说。

“与引力波相对应的电磁信号的发现正好证明了高性能并行计算的必要性。当引力波到来时，伴随引力波的一些电磁信号之间的时间间隔可能很短，只有几秒钟。为了捕捉这些出现得非常快而且非常短的电磁信号，必须实现对引力波数据的精确和快速处理，甚至“零延迟”杜智慧说。

然而，目前LIGO的数据分析不能完全自动化。工作组将轮流值班，并手动检查数据生成的触发。“我们正在尝试引入人工智能。如果成功，我们将来就不需要人来检查它，我们可以自动匹配波形，在更短的时间内处理更多的信号，并更快地给出结果。”曹对说:

LIGO科学合作组织清华工作组的积累和创新将为中国未来的引力波探测项目提供宝贵的经验。曹认为，中国应积极参与基础相对薄弱的科研领域的国际合作，培养人才，积累实力。