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[!--downpath--]《從夸克到宇宙：理論化學的世界》
2017年10月3日,美國諾貝爾委員會將2017年度諾貝爾化學學獎授予3位德國化學學家:Weis、和(圖1),以嘉獎她們為LIGO(-wave)偵測器建設以及引力波偵測所做出的貢獻。3位得獎者中,Weiss最早提出了用激光干涉儀偵測引力波并作噪音剖析,為LIGO偵測器建設和觀測到引力波訊號起到了決定性作用,BarryClark對建立LIGO作出了關鍵貢獻,而的貢獻則在于引力波偵測和LIGO的理論方面。
圖１2017年度諾貝爾化學學得獎者（從左至右分別為
Weiss、和）
12017年度諾貝爾化學學獎獲得者
Weiss,德國化學學家,1932年9月29日出生于美國柏林,分別于1955年和1962年獲得麻省理工學院學士和博士學位。1960—1962年任教于塔夫茲大學,1962—1964年在普林斯頓大學從事博士后研究,1964年加入麻省理工學院,并于1973—2001年擔任麻省理工學院教授,目前為美國麻省理工學院榮譽院士。Weiss仍然旨在于引力化學和天體化學的研究,曾任宇宙背景偵測(－,COBE)科學偵測團隊主席。他發明了引力波偵測中的核心技術———激光干涉檢測技術,對LIGO的設計、建造和項目立項起到關鍵作用。
,德國化學學家,1936年1月27日出生于美國內布拉斯加州,1957年獲得物理學學士學位,1962年于加州大學伯克利分校獲博士學位,1963年加入加州理工學院,成為粒子物理國家實驗室一員。此外他還于2005—2013年擔任國際線性加速器總體設計的主任。目前任職于美國加州理工學院。1994年成為LIGO合作組的項目負責人,并領導了LIGO項目得到國家自然科學基金捐助,1997年成為實驗室處長。他還領導了和兩個引力波天文臺的建設,以及完善了LIGO國際科學合作,最終使引力波偵測成為可能。
,德國化學學家,1940年6月1日出生于法國緬因州,1962年于加州理工學院獲學士學位,1965年于耶魯學院獲博士學位,1967年回到加州理工學院任副教授,1970年晉升為理論化學院士,成為加洲理工大學最年青的院士之一,目前任職于美國加州理工學院。主要研究相對論性天體物理和引力數學學,是LIGO項目立項的主要領導者之一。他發展了從數據中甄別和發覺引力波訊號的剖析技術,為LIGO得以發覺引力波和確定波源的數學特點奠定關鍵的理論基礎。
2引力波
引力波是時空曲率像波一樣以光速在時空中傳播。1916年愛因斯坦基于他所提出的廣義相對論預言引力波的存在。宇宙中一類典型的引力波波源是兩個互相環繞的致密天體。天體的質量越大,它們的寬度越小,這么引力越強。同樣地,越致密的兩個天體互相環繞對方的時侯越可以以更短的距離緊靠對方,因而形成更強的引力波。
1974年,英國科學家Hulse和用引力波引起能量耗損的機理來解釋所發覺脈沖雙星的軌道在不斷增大,間接觀測到了引力波,因而獲得了1993年度諾貝爾物理學獎。自愛因斯坦提出引力波后,歷經百年的不懈努力,LIGO總算于2015年9月14日首次探測到距離地球約13億光年的2個質量分別約為36和29倍太陽質量黑洞并合形成的引力波,但是引力波攜帶走約3倍太陽質量的能量。這是人類首次否認存在星體級雙黑洞系統,也是人類首次直接偵測到引力波。隨即LIGO又偵測到另外兩次黑洞并合形成引力波風波。非常是,2017年8月17日,LIGO和坐落亞洲的Virgo聯合觀測到兩個中子星并合形成的引力波風波,這是人類第5次直接偵測到引力波,這一風波同時被好多其他天文觀測檢測到并合形成的光學對應體。
3用激光干涉儀偵測微弱的引力波訊號
激光干涉引力波天文臺(LIGO)項目在20世紀80年代由麻省理工大學和加洲理工大學共同提出,得到日本國家科學基金會(NSF)的資金支持,開展LIGO的可行性研究。1994年,LIGO獲得NSF的3.95億美元的長期資助,開始天文臺建設,先后在華盛頓的漢福德()和路易斯安那的利文斯頓()建造3臺臂長千米級別的干涉儀(即第一代陸基激光干涉引力波偵測器)。到2002年,LIGO開始進行引力波的搜索。隨著激光偵測技術的不斷發展,2014年LIGO開始全面升級,升級后的激光干涉引力波天文臺被命名為(即第二代陸基激光干涉引力波偵測器)。
2016年2月11日,英國國家科學基金會和亞洲引力天文臺即將宣布,升級后的激光干涉引力波天文臺于2015年9月14日第一次直接觀測到了引力波(該風波被命名為),驗證了廣義相對論在100年前引力波的預言。LIGO由2個相距的獨立激光干涉儀組成,一個坐落漢福德(臂長4km),另一個坐落利文斯頓(臂長4km)。2016年2月17日,LIGO－India項目得到批準,該項目計劃將漢福德的臂長2km的偵測器遷往美國,在美國構建一個新的引力波偵測器,有助于確切定位引力波波源的方向。
用激光干涉儀偵測引力波的原理十分簡單,每位干涉儀由L型的2個臂組成,當引力波經過時,2個臂長差隨時間發生細微變化,該細微變化反映在激光干涉白色上。如圖2所示,分光鏡(beam－)將入射光分成相互垂直的兩束,分別沿干涉儀的2個臂傳播,被臂端的反射鏡反射后,再回到分光鏡,步入光電偵測器()。當干涉儀手臂相等時,輸出是相消干涉;當干涉儀的2個臂長差隨引力波的周期和硬度變化時,激光束的位相也將遭到相應調制。
但因為引力波訊號十分微弱,實際的引力波偵測要求復雜和精密的光學技術,因而經歷了百余年科學技術的發展,才得以直接偵測到。諸如,升級后的LIGO觀測到的引力波風波,應變()大小為10-21,對于臂長為4km的干涉儀,導致的臂長差為10-18m,相當于原子核半徑的萬分之一。采用了FP(Fbry－Perot)腔技術,干涉儀的每位臂用FP腔取代,光束在腔內被折疊了好多個來回,相當于降低了臂長,實現相位差的積累,因而降低引力波訊號的偵測靈敏度。另外,采用了相位鎖定偵測技術,除去激光硬度波動噪音。引力波的可偵測靈敏度與激光的功率成反比,但功率的降低又導致光學器件熱形變、熱透鏡效應、模式畸變等不穩定性,非常是幅射壓力噪音。
圖2激光干涉引力波偵測器示意
目前對干涉儀的噪音主要來自地面震動噪音、熱噪音和量子噪音。前二者來自背景干擾,可以采用有效辦法防止和補償;而量子噪音是由量子漲落帶來的不確定性。當干涉儀手臂相等時,輸出相消干涉。但量子效應實際的光場并不為0,而是存在一個微小的量子漲落。當引力波經過時,這個微小的漲落會干擾引力波訊號的偵測。在高頻段主要來自光場的相位漲落(稱為散粒噪音),在低頻段主要來自光場的振幅漲落作用在穿衣鏡上的隨機幅射壓力(幅射壓力噪音)。因為未來引力波干涉儀的噪音將完全由量子噪音主導,因而趕超標準量子極限是提升未來所有陸基引力波偵測器靈敏度的最重要的問題。研究表明光壓縮態技術,可數目級地提升干涉儀的可偵測靈敏度。
4從噪音中提取微弱的引力波訊號
引力波數據剖析是從觀測數據中找尋引力波訊號。引力波偵測器測到的應變強度為10-19(圖3是在漢福德和利文斯頓上觀測到的包含引力波訊號的數據片斷),而在偵測器可觀測頻度范圍內典型的雙黑洞并合形成的引力波訊號為10-21,也就是說,在頻域上噪音完全吞沒了訊號?；趦x器噪音的統計性質和數值相對論的理論建模,通過匹配混頻技術可以把埋在噪音下的引力波訊號挖下來。匹配混頻方式首先收集一段頻域數據,之后通過傅里葉變換將訊號轉換到時域,在時域數據中尋找引力波訊號?？梢哉f,人類首次引力波偵測是實驗技術進步和理論研究突破結合的產物。
圖3漢福德(H1)和利文斯頓(L1)的觀測數據
從各個引力波偵測器傳送過來的數據,在進行匹配混頻之前,首先要對數據進行預處理。不僅干涉數據,同時也記錄了全球定位系統(GPS)時間、探測器的狀態信息和環境條件,如氣溫、氣壓、地震、聲響、電場、磁場等,多達幾百個數據通道。預處理主要依據記錄的輔助數據標示出因為儀器等誘因不可使用的干涉數據,得到片斷的科學數據。匹配檢波就是要從這種科學數據中發覺隱藏的引力波訊號,之后按照多個偵測儀的結果對引力波的方位進行定位。
快速辨識引力波訊號具有極其重要的科學意義,只有快速辨識才可以向電磁望遠鏡發出預警,及時偵測致密雙星并合風波形成的電磁訊號,因而對于全面了解引力波源所發生的天體化學過程。因而,數據剖析面臨2方面的挑戰:1)提升發覺引力波訊號的確切度,既不能漏掉引力波訊號,也不能把噪音誤報為訊號。2)提升發覺引力波訊號的速率,必須在雙星合并時甚至在雙星合并之前給出可靠的引力波訊號警示與精確的引力波方位,因而為同時觀測電磁對應體在時間上提供保證。目前有好多不同的實時在線數據處理流水線來處理引力波數據,如SPIR(－)流水線、CWB()流水線、PyCBC和流水線。SPIR流水線是一種運用無限沖擊響應技術的時域引力波搜索方法,CWB流水線是同時對多個觀測站的數據進行小波剖析,之后對得到的小波系數進行降維來發覺引力波訊號。
匹配混頻剖析依賴于引力波波形庫?；跀抵迪鄬φ撍鶚嫿ㄉ先サ挠行误w數值相對論模型在的數據處理中已發揮了巨大的威力。數值相對論就是在計算機上數值求解引力波源對應愛因斯坦等式。在數值相對論發展的初期,數值相對論學家在很長時間里被穩定性問題困惑。估算不穩定表現為在估算過程中微小偏差迅速指數地降低,造成程序中非數的發生。直至2005年,－us宣布數值相對論的穩定性問題被成功突破,并給出雙黑洞整個并合過程的數值估算。以后,數值相對論學家們把關注的重心轉移到雙黑洞波源引力波數值估算的確切性和估算效率問題上。
5中國科學家的相關研究
2009年LIGO科學合作組織(LSC)接受北大學院為中國內地惟一成員。復旦學院LSC研究團隊由復旦學院信息技術研究院研究員、LSC理事會成員曹軍威負責,研究團隊還包括復旦學院計算機系副院長都志輝和王小鴿等成員。研究團隊注重采用先進估算技術提升引力波數據剖析的速率和效率,參與了LSC引力波暴和數據剖析軟件等工作組相關研究。復旦學院研究團隊主要與麻省理工大學、加州理工大學、西南非學院、格拉斯哥學院等LSC成員合作,在引力波實時在線數據處理和多信使天文學方面舉辦了算法設計、性能優化與軟件開發等方面的工作,主要研究成果包括:GPU加速引力波暴數據剖析、實現低延后實時致密雙星并合訊號的搜救、采用機器學習方式強化引力波數據噪音的剖析等。復旦學院研究團隊還研究借助虛擬化和云估算技術建立引力波數據估算基礎平臺,開發的軟件工具為LSC成員廣泛使用。
6推論
2017度諾貝爾化學學獎的得獎工作首次直接觀測到了引力波(),驗證了廣義相對論在100年前對引力波的預言,打開了人類認識宇宙的一扇嶄新的窗口,也拉開了引力波天文學和引力波宇宙學的帷幕。
本文原載于《科技導報》,2017,35(23):12
本文摘編自中國科大學理論化學研究所編《從夸克到宇宙：理論化學的世界》。
從夸克到宇宙：理論化學的世界
中國科大學理論化學研究所編
上海：科學出版社，2018.05