為引力波探測“加速” 中國清華團隊追求“快到極致”

　　沒有任何天文物理背景，計算機科學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，甚至直接事關成敗。

　　去年10月，多國科學家宣布，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”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。

　　天文學新時代的到來比曹軍威預料的更早，這讓他非常高興。正如他所判斷的，一個關鍵因素是運算要快，越快越好。

　　2004年，還在國外留學工作的曹軍威憑借計算機方面的特長加入了麻省理工學院LIGO實驗室，從此和引力波結(jié)下不解之緣。2009年，他帶領清華大學信息技術研究院工作組(簡稱“清華工作組”)加入LIGO科學合作組織，參與數(shù)據(jù)處理工作。

　　“當時我們是LIGO科學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，快速運算可以服務于多信使天文學，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)束第二次科學運行，并計劃于今年七八月間開始第三次科學運行，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LIGO科學合作組織工作組成員都志輝老師在進行學術交流。 新華社發(fā)圖片由都志輝提供

　　據(jù)介紹，LIGO科學合作組織包括上千名科學家，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，科學家們每次都會把LIGO的重大科學發(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)進行預處理;接下來，將預處理后的數(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，在基礎比較薄弱的科研領域，中國應該積極參與國際合作，培養(yǎng)人才，積蓄力量。