沒有任何天文物理背景，計算機科學(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，在未來的引力波探測中，運算速度將變得越來越重要，甚至直接事關(guān)成敗。
實時引力波數(shù)據(jù)監(jiān)測示例。 新華社發(fā)圖片由都志輝提供
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行學(xué)術(shù)交流。 新華社發(fā)圖片由都志輝提供
去年10月，多國科學(xué)家宣布，人類首次直接探測到雙中子星合并產(chǎn)生的引力波及其伴隨的電磁信號，令全球天文界震動。
實時引力波數(shù)據(jù)監(jiān)測示例。 新華社發(fā)圖片由都志輝提供
其實，引力波發(fā)現(xiàn)的過程，就是一場與時間的賽跑。美國“激光干涉引力波天文臺”（LIGO）發(fā)現(xiàn)引力波信號后的1．7秒，美國費米太空望遠鏡就觀測到疑似對應(yīng)的伽馬射線暴。LIGO和費米立即向天文界發(fā)送警報，隨后，全球約70個地面及空間望遠鏡從紅外、紫外、X光等不同波段展開全面的后續(xù)觀測。正是因為探測到了電磁信號，科學(xué)家才能在茫茫宇宙中進一步精確定位出引力波的源頭。
這樣的合作模式開啟了“多信使天文學(xué)”的大幕，這意味著更多更神秘的宇宙謎團將一步步由此揭開。
天文學(xué)新時代的到來比曹軍威預(yù)料的更早，這讓他非常高興。正如他所判斷的，一個關(guān)鍵因素是運算要快，越快越好。
2004年，還在國外留學(xué)工作的曹軍威憑借計算機方面的特長加入了麻省理工學(xué)院LIGO實驗室，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。
“當時我們是LIGO科學(xué)合作組織里唯一的中國工作組，也是很獨特的一個工作組，因為我們所有成員都沒有天文物理背景，而是從事計算機和自動化研究的。”曹軍威說。
前五年，清華工作組主要側(cè)重于計算平臺搭建和數(shù)據(jù)分析。但是，基于專業(yè)敏感和自身特長，他們隨后把提高運算速度作為自己的目標。然而，“快到極致”究竟有什么意義，當時很多人對此并沒有清晰明確的認識。
“我們一開始就提出，快速運算可以服務(wù)于多信使天文學(xué)，因為這需要在引力波信號發(fā)現(xiàn)后，立刻協(xié)調(diào)其他設(shè)備共同觀測，當然是算得越快越準越好。”曹軍威說，“只是沒想到，這一切來得這么快。”
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)運行，并計劃于今年七八月間開始第三次科學(xué)運行，這期間的主要工作是升級探測器，進一步提高靈敏度。“靈敏度提高了，探測到引力波的幾率就會大大增加。原來可能一年發(fā)現(xiàn)幾次信號，將來可能每月，甚至每天都能發(fā)現(xiàn)信號，現(xiàn)在的數(shù)據(jù)處理速度還遠遠跟不上這個節(jié)奏。”曹軍威說。
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名負責建造和運行天文臺，其余都是從事數(shù)據(jù)處理分析工作的。他們分成多個組來處理探測數(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）以及引力波隨機背景數(shù)據(jù)分析組（Stochastic）等。
“清華工作組只承擔了其中很小一部分，現(xiàn)在主要參與CBC的加速工作、探索使用計算機神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)處理等。”曹軍威說。
為了方便大眾了解引力波，科學(xué)家們每次都會把LIGO的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換成生動直觀的圖像甚至是視頻，而它們其實來源于LIGO探測器每秒采樣16000次形成的密集數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)，要經(jīng)過除噪、比對等一系列處理，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，天文臺將觀測數(shù)據(jù)打包傳送到數(shù)據(jù)中心；然后，對這些數(shù)據(jù)進行預(yù)處理；接下來，將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)與大量引力波數(shù)據(jù)模板進行快速并行匹配，以確定信號是不是引力波；最后，發(fā)出預(yù)警，協(xié)同觀測。
“以前，這個過程大概需要幾分鐘。后來，我們對濾波算法進行了加速，可以在1秒內(nèi)完成數(shù)據(jù)和上萬個引力波數(shù)據(jù)模板的匹配，從而把整個過程縮短到十幾秒。我們下一步的目標是3至5秒。”同在清華工作組里的都志輝副教授說。
“引力波對應(yīng)的電磁信號的發(fā)現(xiàn)，恰恰印證了高性能并行計算的必要性。當引力波過來時，一些伴隨引力波的電磁信號間隔時間可能非常短，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，就必須實現(xiàn)引力波數(shù)據(jù)的準確快速處理，甚至是‘零延遲’。”都志輝說。
不過，目前LIGO的數(shù)據(jù)分析還不能完全實現(xiàn)自動化，工作組要輪流值班，人工檢查數(shù)據(jù)產(chǎn)生的觸發(fā)。“我們正在嘗試引入人工智能，如果成功，將來就不需要人來檢查，并可以自動匹配波形，用更短的時間處理更多的信號，并更快地給出結(jié)果。”曹軍威說。
清華工作組在LIGO科學(xué)合作組織中的積累和創(chuàng)新，將為中國未來的引力波探測項目提供寶貴的經(jīng)驗。曹軍威認為，在基礎(chǔ)比較薄弱的科研領(lǐng)域，中國應(yīng)該積極參與國際合作，培養(yǎng)人才，積蓄力量。
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