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為引力波探測(cè)“加速” 中國(guó)清華團(tuán)隊(duì)追求“快到極致”
2018-02-27 18:29:52 來(lái)源: 新華社客戶端
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  新華社北京2月26日電(記者全曉書(shū))沒(méi)有任何天文物理背景,計(jì)算機(jī)科學(xué)家曹軍威卻一心撲上去和引力波“糾纏”了十多年。這讓他更確信,在未來(lái)的引力波探測(cè)中,運(yùn)算速度將變得越來(lái)越重要,甚至直接事關(guān)成敗。

  去年10月,多國(guó)科學(xué)家宣布,人類首次直接探測(cè)到雙中子星合并產(chǎn)生的引力波及其伴隨的電磁信號(hào),令全球天文界震動(dòng)。

  實(shí)時(shí)引力波數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)示例。 新華社發(fā)圖片由都志輝提供

  其實(shí),引力波發(fā)現(xiàn)的過(guò)程,就是一場(chǎng)與時(shí)間的賽跑。美國(guó)“激光干涉引力波天文臺(tái)”(LIGO)發(fā)現(xiàn)引力波信號(hào)后的1.7秒,美國(guó)費(fèi)米太空望遠(yuǎn)鏡就觀測(cè)到疑似對(duì)應(yīng)的伽馬射線暴。LIGO和費(fèi)米立即向天文界發(fā)送警報(bào),隨后,全球約70個(gè)地面及空間望遠(yuǎn)鏡從紅外、紫外、X光等不同波段展開(kāi)全面的后續(xù)觀測(cè)。正是因?yàn)樘綔y(cè)到了電磁信號(hào),科學(xué)家才能在茫茫宇宙中進(jìn)一步精確定位出引力波的源頭。

  這樣的合作模式開(kāi)啟了“多信使天文學(xué)”的大幕,這意味著更多更神秘的宇宙謎團(tuán)將一步步由此揭開(kāi)。

  天文學(xué)新時(shí)代的到來(lái)比曹軍威預(yù)料的更早,這讓他非常高興。正如他所判斷的,一個(gè)關(guān)鍵因素是運(yùn)算要快,越快越好。

  2004年,還在國(guó)外留學(xué)工作的曹軍威憑借計(jì)算機(jī)方面的特長(zhǎng)加入了麻省理工學(xué)院LIGO實(shí)驗(yàn)室,從此和引力波結(jié)下不解之緣。2009年,他帶領(lǐng)清華大學(xué)信息技術(shù)研究院工作組(簡(jiǎn)稱“清華工作組”)加入LIGO科學(xué)合作組織,參與數(shù)據(jù)處理工作。

  “當(dāng)時(shí)我們是LIGO科學(xué)合作組織里唯一的中國(guó)工作組,也是很獨(dú)特的一個(gè)工作組,因?yàn)槲覀兯谐蓡T都沒(méi)有天文物理背景,而是從事計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化研究的。”曹軍威說(shuō)。

  前五年,清華工作組主要側(cè)重于計(jì)算平臺(tái)搭建和數(shù)據(jù)分析。但是,基于專業(yè)敏感和自身特長(zhǎng),他們隨后把提高運(yùn)算速度作為自己的目標(biāo)。然而,“快到極致”究竟有什么意義,當(dāng)時(shí)很多人對(duì)此并沒(méi)有清晰明確的認(rèn)識(shí)。

  “我們一開(kāi)始就提出,快速運(yùn)算可以服務(wù)于多信使天文學(xué),因?yàn)檫@需要在引力波信號(hào)發(fā)現(xiàn)后,立刻協(xié)調(diào)其他設(shè)備共同觀測(cè),當(dāng)然是算得越快越準(zhǔn)越好?!辈苘娡f(shuō),“只是沒(méi)想到,這一切來(lái)得這么快?!?/p>

  一方面,曹軍威和他的清華同事有了大展才華的空間,另一方面,他們也將面臨更多的挑戰(zhàn)和壓力。

  LIGO于2017年8月25日結(jié)束第二次科學(xué)運(yùn)行,并計(jì)劃于今年七八月間開(kāi)始第三次科學(xué)運(yùn)行,這期間的主要工作是升級(jí)探測(cè)器,進(jìn)一步提高靈敏度?!办`敏度提高了,探測(cè)到引力波的幾率就會(huì)大大增加。原來(lái)可能一年發(fā)現(xiàn)幾次信號(hào),將來(lái)可能每月,甚至每天都能發(fā)現(xiàn)信號(hào),現(xiàn)在的數(shù)據(jù)處理速度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上這個(gè)節(jié)奏?!辈苘娡f(shuō)。

  清華大學(xué)LIGO科學(xué)合作組織工作組成員都志輝老師在進(jìn)行學(xué)術(shù)交流。 新華社發(fā)圖片由都志輝提供

  據(jù)介紹,LIGO科學(xué)合作組織包括上千名科學(xué)家,其中大約400名負(fù)責(zé)建造和運(yùn)行天文臺(tái),其余都是從事數(shù)據(jù)處理分析工作的。他們分成多個(gè)組來(lái)處理探測(cè)數(shù)據(jù),比如引力波暴數(shù)據(jù)分析組(Burst)、致密雙星并合數(shù)據(jù)分析組(CBC)、連續(xù)波數(shù)據(jù)分析組(CW)以及引力波隨機(jī)背景數(shù)據(jù)分析組(Stochastic)等。

  “清華工作組只承擔(dān)了其中很小一部分,現(xiàn)在主要參與CBC的加速工作、探索使用計(jì)算機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等。”曹軍威說(shuō)。

  為了方便大眾了解引力波,科學(xué)家們每次都會(huì)把LIGO的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換成生動(dòng)直觀的圖像甚至是視頻,而它們其實(shí)來(lái)源于LIGO探測(cè)器每秒采樣16000次形成的密集數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù),要經(jīng)過(guò)除噪、比對(duì)等一系列處理,才能供研究引力波之用。

  為此,清華工作組和西澳大學(xué)合作,建立了一條新型的低延遲引力波數(shù)據(jù)處理流水線:首先,天文臺(tái)將觀測(cè)數(shù)據(jù)打包傳送到數(shù)據(jù)中心;然后,對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理;接下來(lái),將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)與大量引力波數(shù)據(jù)模板進(jìn)行快速并行匹配,以確定信號(hào)是不是引力波;最后,發(fā)出預(yù)警,協(xié)同觀測(cè)。

  “以前,這個(gè)過(guò)程大概需要幾分鐘。后來(lái),我們對(duì)濾波算法進(jìn)行了加速,可以在1秒內(nèi)完成數(shù)據(jù)和上萬(wàn)個(gè)引力波數(shù)據(jù)模板的匹配,從而把整個(gè)過(guò)程縮短到十幾秒。我們下一步的目標(biāo)是3至5秒?!蓖谇迦A工作組里的都志輝副教授說(shuō)。

  “引力波對(duì)應(yīng)的電磁信號(hào)的發(fā)現(xiàn),恰恰印證了高性能并行計(jì)算的必要性。當(dāng)引力波過(guò)來(lái)時(shí),一些伴隨引力波的電磁信號(hào)間隔時(shí)間可能非常短,僅僅只有幾秒,要捕捉這些很快出現(xiàn)又十分短暫的電磁信號(hào),就必須實(shí)現(xiàn)引力波數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確快速處理,甚至是‘零延遲’?!倍贾据x說(shuō)。

  不過(guò),目前LIGO的數(shù)據(jù)分析還不能完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,工作組要輪流值班,人工檢查數(shù)據(jù)產(chǎn)生的觸發(fā)?!拔覀冋趪L試引入人工智能,如果成功,將來(lái)就不需要人來(lái)檢查,并可以自動(dòng)匹配波形,用更短的時(shí)間處理更多的信號(hào),并更快地給出結(jié)果?!辈苘娡f(shuō)。

  清華工作組在LIGO科學(xué)合作組織中的積累和創(chuàng)新,將為中國(guó)未來(lái)的引力波探測(cè)項(xiàng)目提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。曹軍威認(rèn)為,在基礎(chǔ)比較薄弱的科研領(lǐng)域,中國(guó)應(yīng)該積極參與國(guó)際合作,培養(yǎng)人才,積蓄力量。

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【糾錯(cuò)】 責(zé)任編輯: 王頔
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