中国智慧助力“捕捉”引力波

来源:人民日报海外版 2016-2-19 彭训文


  13亿年前,两个恒星量级黑洞相互碰撞,大约3倍于太阳质量的物质转化为引力波,并以光的速度向外扩散。13亿年后,这列“涟漪”在2015年9月14日扫过太阳系,被美国科学家利用激光干涉引力波天文台首次捕捉到。这一重大成果直接印证了爱因斯坦100年前关于引力波的预测,打开了人类探索宇宙的新窗口。这一消息在上周公开发布后,全球科学界瞬间沸腾。

聆听宇宙远古的天籁之音

  2月11日晚,中国公众还处在猴年春节假期的欢乐气氛中,曹军威则早早打开了电脑,神情庄重地守着直播。他所在的清华大学研究团队,是中国大陆唯一的激光干涉引力波天文台(LIGO)科学合作组织(LSC)成员。作为参与者,他知道,一个震撼物理学界、天文学界乃至整个科学界的重磅消息即将发布。

  北京时间23时30分,美国加州理工学院、麻省理工学院、LSC和美国国家科学基金会联合举行新闻发布会。加州理工学院LIGO项目执行主任戴维·赖茨以一种尽量稳重的姿态走上讲台,但神情难掩激动:“女士们,先生们,我们检测到了引力波,我们确实检测到了引力波。这是真的,我认为这是人类在科学上的登月壮举。”

  在一片嘈杂的背景噪音中,一声“噗”的清脆声响,如水滴落水,持续时间短暂得不到1秒,这正是现场播放的由引力波转化成的宇宙之声。

  这是人类利用激光干涉引力波天文台首次探测到引力波。2015年9月14日,LIGO项目组修建的利文斯顿激光干涉引力波天文台记录下这个非常明确的引力波信号。7毫秒后,另一个名为汉福德的天文台记录下相同信号。

  为避免“乌龙事件”,科学家经过大量复杂的计算和分析后得出结论,这是在距地球13 亿光年处的两个黑洞相撞后产生的引力波。这两个黑洞,一个质量相当于29个太阳质量,一个相当于36个太阳质量,它们不断旋转靠近,最终相撞,合并成一个相当于62个太阳质量的黑洞,而相当于3个太阳的质量转化为引力波,并向外辐射,释放的峰值能量比整个可见宇宙释放的能量还要高出约50倍。

  不过,虽然携带的能量很大,但引力波实际对物质产生的作用却十分微弱。以这次被捕获的引力波为例,其作用大概为一个氢原子的五百亿分之一那么微小,尚不能挪动电荷。

有助于揭示宇宙“婴儿期”的奥秘

  虽然作用很微弱,但引力波对人类来说却是意义非凡。美国麻省理工学院物理系研究员苏萌表示,射电、光学、伽马射线等电磁波谱研究,研究的都是来自于光子携带的信息,引力波携带着与电磁波截然不同的信息,将为我们揭示宇宙新的奥秘,比如黑洞与黑洞并合时的物理过程。如果能探测到宇宙大爆炸时发出的原初引力波,那将为我们揭示宇宙诞生之初的奥妙。

  LIGO项目组发言人、路易斯安那州立大学物理学家加布里埃拉·冈萨雷斯形象地宣称,人类从此长了“耳朵”,能“听”到宇宙大爆炸,并“看”到整个宇宙中黑洞的形成。在她看来,人类此前的天文学发现都好似“眼睛”,而引力波携带的大量信息打开了认识宇宙的新方式。

  1916年,广义相对论的创立者爱因斯坦预测,引力起源于物质在时空中运动时质量对空间的扭曲;如果大质量物体运动,例如两个黑洞碰撞,所产生的曲率变化会像波一样向外传播,导致时空压缩、伸展,这个现象就是引力波。

  打个比方,引力波就像在宇宙某个角落敲一面大鼓,其“震荡”会以引力波的形式在宇宙间几乎毫无阻力地传播。但它对物质造成的形变非常微小,仅有亚原子量级,要探测到它,好比在一个喧闹的聚会上辨别一首低吟的歌,这被世界公认为最难检验的尖端科技之一。

中国科学家深度参与贡献独特

  中国科学家虽然不是此次“捕捉”引力波的主要贡献者,但同样是其中的参与者,并做了大量开创性的工作,贡献了“中国智慧”。在公布的为此发现做出贡献的人员名单中,数位中国科学家的名字赫然在列。

  从2009年开始,清华大学信息技术研究院研究员、LSC理事会成员曹军威和他团队里的另外 5 名研究人员就参与了 LSC 引力波暴和数据分析软件两个工作组的相关研究,侧重提高引力波数据分析的速度和效率。

  “29个太阳质量”、“36 个太阳质量”、“13亿光年”……这串看似简单的数据,背后是设在世界十几个地点的大型集群计算机对信号的海量分析处理。

  “LIGO 数据的采样频率达到每秒1.6万次以上,采样信道达上万个,这需要先进的计算机处理技术做支撑。” 曹军威说,他们的工作就是采用信息技术支撑这些软件的正常运行,提高它们的运行效率,同时研究数据驱动的新型分析方法。6年来,他所在的团队参与构建了引力波数据计算基础平台,把探测器GPU的信息处理速度从原有的 58 倍提升到了 120 倍以上。他们开发的数据分析软件工具被LSC成员广泛使用。

编辑:苑苑

 

【发布时间:2016-02-19】【浏览次数:394】