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[!--downpath--]《从夸克到宇宙：理论化学的世界》
2017年10月3日,美国诺贝尔委员会将2017年度诺贝尔化学学奖授予3位德国化学学家:Weis、和(图1),以嘉奖她们为LIGO(-wave)侦测器建设以及引力波侦测所做出的贡献。3位得奖者中,Weiss最早提出了用激光干涉仪侦测引力波并作噪音剖析,为LIGO侦测器建设和观测到引力波讯号起到了决定性作用,BarryClark对建立LIGO作出了关键贡献,而的贡献则在于引力波侦测和LIGO的理论方面。
图１2017年度诺贝尔化学学得奖者（从左至右分别为
Weiss、和）
12017年度诺贝尔化学学奖获得者
Weiss,德国化学学家,1932年9月29日出生于美国柏林,分别于1955年和1962年获得麻省理工学院学士和博士学位。1960—1962年任教于塔夫兹大学,1962—1964年在普林斯顿大学从事博士后研究,1964年加入麻省理工学院,并于1973—2001年担任麻省理工学院教授,目前为美国麻省理工学院荣誉院士。Weiss仍然旨在于引力化学和天体化学的研究,曾任宇宙背景侦测(－,COBE)科学侦测团队主席。他发明了引力波侦测中的核心技术———激光干涉检测技术,对LIGO的设计、建造和项目立项起到关键作用。
,德国化学学家,1936年1月27日出生于美国内布拉斯加州,1957年获得物理学学士学位,1962年于加州大学伯克利分校获博士学位,1963年加入加州理工学院,成为粒子物理国家实验室一员。此外他还于2005—2013年担任国际线性加速器总体设计的主任。目前任职于美国加州理工学院。1994年成为LIGO合作组的项目负责人,并领导了LIGO项目得到国家自然科学基金捐助,1997年成为实验室处长。他还领导了和两个引力波天文台的建设,以及完善了LIGO国际科学合作,最终使引力波侦测成为可能。
,德国化学学家,1940年6月1日出生于法国缅因州,1962年于加州理工学院获学士学位,1965年于耶鲁学院获博士学位,1967年回到加州理工学院任副教授,1970年晋升为理论化学院士,成为加洲理工大学最年青的院士之一,目前任职于美国加州理工学院。主要研究相对论性天体物理和引力数学学,是LIGO项目立项的主要领导者之一。他发展了从数据中甄别和发觉引力波讯号的剖析技术,为LIGO得以发觉引力波和确定波源的数学特点奠定关键的理论基础。
2引力波
引力波是时空曲率像波一样以光速在时空中传播。1916年爱因斯坦基于他所提出的广义相对论预言引力波的存在。宇宙中一类典型的引力波波源是两个互相环绕的致密天体。天体的质量越大,它们的宽度越小,这么引力越强。同样地,越致密的两个天体互相环绕对方的时侯越可以以更短的距离紧靠对方,因而形成更强的引力波。
1974年,英国科学家Hulse和用引力波引起能量耗损的机理来解释所发觉脉冲双星的轨道在不断增大,间接观测到了引力波,因而获得了1993年度诺贝尔物理学奖。自爱因斯坦提出引力波后,历经百年的不懈努力,LIGO总算于2015年9月14日首次探测到距离地球约13亿光年的2个质量分别约为36和29倍太阳质量黑洞并合形成的引力波,但是引力波携带走约3倍太阳质量的能量。这是人类首次否认存在星体级双黑洞系统,也是人类首次直接侦测到引力波。随即LIGO又侦测到另外两次黑洞并合形成引力波风波。非常是,2017年8月17日,LIGO和坐落亚洲的Virgo联合观测到两个中子星并合形成的引力波风波,这是人类第5次直接侦测到引力波,这一风波同时被好多其他天文观测检测到并合形成的光学对应体。
3用激光干涉仪侦测微弱的引力波讯号
激光干涉引力波天文台(LIGO)项目在20世纪80年代由麻省理工大学和加洲理工大学共同提出,得到日本国家科学基金会(NSF)的资金支持,开展LIGO的可行性研究。1994年,LIGO获得NSF的3.95亿美元的长期资助,开始天文台建设,先后在华盛顿的汉福德()和路易斯安那的利文斯顿()建造3台臂长千米级别的干涉仪(即第一代陆基激光干涉引力波侦测器)。到2002年,LIGO开始进行引力波的搜索。随着激光侦测技术的不断发展,2014年LIGO开始全面升级,升级后的激光干涉引力波天文台被命名为(即第二代陆基激光干涉引力波侦测器)。
2016年2月11日,英国国家科学基金会和亚洲引力天文台即将宣布,升级后的激光干涉引力波天文台于2015年9月14日第一次直接观测到了引力波(该风波被命名为),验证了广义相对论在100年前引力波的预言。LIGO由2个相距的独立激光干涉仪组成,一个坐落汉福德(臂长4km),另一个坐落利文斯顿(臂长4km)。2016年2月17日,LIGO－India项目得到批准,该项目计划将汉福德的臂长2km的侦测器迁往美国,在美国构建一个新的引力波侦测器,有助于确切定位引力波波源的方向。
用激光干涉仪侦测引力波的原理十分简单,每位干涉仪由L型的2个臂组成,当引力波经过时,2个臂长差随时间发生细微变化,该细微变化反映在激光干涉白色上。如图2所示,分光镜(beam－)将入射光分成相互垂直的两束,分别沿干涉仪的2个臂传播,被臂端的反射镜反射后,再回到分光镜,步入光电侦测器()。当干涉仪手臂相等时,输出是相消干涉;当干涉仪的2个臂长差随引力波的周期和硬度变化时,激光束的位相也将遭到相应调制。
但因为引力波讯号十分微弱,实际的引力波侦测要求复杂和精密的光学技术,因而经历了百余年科学技术的发展,才得以直接侦测到。诸如,升级后的LIGO观测到的引力波风波,应变()大小为10-21,对于臂长为4km的干涉仪,导致的臂长差为10-18m,相当于原子核半径的万分之一。采用了FP(Fbry－Perot)腔技术,干涉仪的每位臂用FP腔取代,光束在腔内被折叠了好多个来回,相当于降低了臂长,实现相位差的积累,因而降低引力波讯号的侦测灵敏度。另外,采用了相位锁定侦测技术,除去激光硬度波动噪音。引力波的可侦测灵敏度与激光的功率成反比,但功率的降低又导致光学器件热形变、热透镜效应、模式畸变等不稳定性,非常是幅射压力噪音。
图2激光干涉引力波侦测器示意
目前对干涉仪的噪音主要来自地面震动噪音、热噪音和量子噪音。前二者来自背景干扰,可以采用有效办法防止和补偿;而量子噪音是由量子涨落带来的不确定性。当干涉仪手臂相等时,输出相消干涉。但量子效应实际的光场并不为0,而是存在一个微小的量子涨落。当引力波经过时,这个微小的涨落会干扰引力波讯号的侦测。在高频段主要来自光场的相位涨落(称为散粒噪音),在低频段主要来自光场的振幅涨落作用在穿衣镜上的随机幅射压力(幅射压力噪音)。因为未来引力波干涉仪的噪音将完全由量子噪音主导,因而赶超标准量子极限是提升未来所有陆基引力波侦测器灵敏度的最重要的问题。研究表明光压缩态技术,可数目级地提升干涉仪的可侦测灵敏度。
4从噪音中提取微弱的引力波讯号
引力波数据剖析是从观测数据中找寻引力波讯号。引力波侦测器测到的应变强度为10-19(图3是在汉福德和利文斯顿上观测到的包含引力波讯号的数据片断),而在侦测器可观测频度范围内典型的双黑洞并合形成的引力波讯号为10-21,也就是说,在频域上噪音完全吞没了讯号。基于仪器噪音的统计性质和数值相对论的理论建模,通过匹配混频技术可以把埋在噪音下的引力波讯号挖下来。匹配混频方式首先收集一段频域数据,之后通过傅里叶变换将讯号转换到时域,在时域数据中寻找引力波讯号。可以说,人类首次引力波侦测是实验技术进步和理论研究突破结合的产物。
图3汉福德(H1)和利文斯顿(L1)的观测数据
从各个引力波侦测器传送过来的数据,在进行匹配混频之前,首先要对数据进行预处理。不仅干涉数据,同时也记录了全球定位系统(GPS)时间、探测器的状态信息和环境条件,如气温、气压、地震、声响、电场、磁场等,多达几百个数据通道。预处理主要依据记录的辅助数据标示出因为仪器等诱因不可使用的干涉数据,得到片断的科学数据。匹配检波就是要从这种科学数据中发觉隐藏的引力波讯号,之后按照多个侦测仪的结果对引力波的方位进行定位。
快速辨识引力波讯号具有极其重要的科学意义,只有快速辨识才可以向电磁望远镜发出预警,及时侦测致密双星并合风波形成的电磁讯号,因而对于全面了解引力波源所发生的天体化学过程。因而,数据剖析面临2方面的挑战:1)提升发觉引力波讯号的确切度,既不能漏掉引力波讯号,也不能把噪音误报为讯号。2)提升发觉引力波讯号的速率,必须在双星合并时甚至在双星合并之前给出可靠的引力波讯号警示与精确的引力波方位,因而为同时观测电磁对应体在时间上提供保证。目前有好多不同的实时在线数据处理流水线来处理引力波数据,如SPIR(－)流水线、CWB()流水线、PyCBC和流水线。SPIR流水线是一种运用无限冲击响应技术的时域引力波搜索方法,CWB流水线是同时对多个观测站的数据进行小波剖析,之后对得到的小波系数进行降维来发觉引力波讯号。
匹配混频剖析依赖于引力波波形库。基于数值相对论所构建上去的有效单体数值相对论模型在的数据处理中已发挥了巨大的威力。数值相对论就是在计算机上数值求解引力波源对应爱因斯坦等式。在数值相对论发展的初期,数值相对论学家在很长时间里被稳定性问题困惑。估算不稳定表现为在估算过程中微小偏差迅速指数地降低,造成程序中非数的发生。直至2005年,－us宣布数值相对论的稳定性问题被成功突破,并给出双黑洞整个并合过程的数值估算。以后,数值相对论学家们把关注的重心转移到双黑洞波源引力波数值估算的确切性和估算效率问题上。
5中国科学家的相关研究
2009年LIGO科学合作组织(LSC)接受北大学院为中国内地惟一成员。复旦学院LSC研究团队由复旦学院信息技术研究院研究员、LSC理事会成员曹军威负责,研究团队还包括复旦学院计算机系副院长都志辉和王小鸽等成员。研究团队注重采用先进估算技术提升引力波数据剖析的速率和效率,参与了LSC引力波暴和数据剖析软件等工作组相关研究。复旦学院研究团队主要与麻省理工大学、加州理工大学、西南非学院、格拉斯哥学院等LSC成员合作,在引力波实时在线数据处理和多信使天文学方面举办了算法设计、性能优化与软件开发等方面的工作,主要研究成果包括:GPU加速引力波暴数据剖析、实现低延后实时致密双星并合讯号的搜救、采用机器学习方式强化引力波数据噪音的剖析等。复旦学院研究团队还研究借助虚拟化和云估算技术建立引力波数据估算基础平台,开发的软件工具为LSC成员广泛使用。
6推论
2017度诺贝尔化学学奖的得奖工作首次直接观测到了引力波(),验证了广义相对论在100年前对引力波的预言,打开了人类认识宇宙的一扇崭新的窗口,也拉开了引力波天文学和引力波宇宙学的帷幕。
本文原载于《科技导报》,2017,35(23):12
本文摘编自中国科大学理论化学研究所编《从夸克到宇宙：理论化学的世界》。
从夸克到宇宙：理论化学的世界
中国科大学理论化学研究所编
上海：科学出版社，2018.05