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為引力波探測“加速” 中國清華團(tuán)隊(duì)追求“快到極致”
2018-02-27 18:29:52 來源: 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)沒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,,在未來的引力波探測中,,運(yùn)算速度將變得越來越重要,甚至直接事關(guān)成敗,。

  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(shí)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(shí),,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(fèi)米太空望遠(yuǎn)鏡就觀測到疑似對應(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個地面及空間望遠(yuǎn)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?yàn)樘綔y到了電磁信號,,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,。

  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(yùn)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(jì)算機(jī)方面的特長加入了麻省理工學(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)時我們是LIGO科學(xué)合作組織里唯一的中國工作組,,也是很獨(dú)特的一個工作組,,因?yàn)槲覀兯谐蓡T都沒有天文物理背景,而是從事計(jì)算機(jī)和自動化研究的,?!辈苘娡f。

  前五年,,清華工作組主要側(cè)重于計(jì)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(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)時很多人對此并沒有清晰明確的認(rèn)識,。

  “我們一開始就提出,快速運(yùn)算可以服務(wù)于多信使天文學(xué),,因?yàn)檫@需要在引力波信號發(fā)現(xiàn)后,,立刻協(xié)調(diào)其他設(shè)備共同觀測,當(dāng)然是算得越快越準(zhǔn)越好,?!辈苘娡f,“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(yùn)行,并計(jì)劃于今年七八月間開始第三次科學(xué)運(yùn)行,,這期間的主要工作是升級探測器,,進(jìn)一步提高靈敏度?!办`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(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上這個節(jié)奏?!辈苘娡f,。

  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,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(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,。

  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(shí)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(biāo)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(jì)算的必要性。當(dāng)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(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,。

  不過,目前LIGO的數(shù)據(jù)分析還不能完全實(shí)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)?!拔覀冋趪L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,?!辈苘娡f。

  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(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,,中國應(yīng)該積極參與國際合作,培養(yǎng)人才,,積蓄力量,。

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【糾錯】 責(zé)任編輯: 王頔
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