為引力波探測“加速” 中國清華團隊追求“快到極致”

　　沒(méi)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(lái)的引力波探測中，運算速度將變得越來(lái)越重要，甚至直接事關(guān)成敗。

　　去年10月，多國科學(xué)家宣布，人類(lèi)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(dòng)。

　　實(shí)時(shí)引力波數據監測示例。 新華社發(fā)圖片由都志輝提供

　　其實(shí)，引力波發(fā)現的過(guò)程，就是一場(chǎng)與時(shí)間的賽跑。美國“激光干涉引力波天文臺”(LIGO)發(fā)現引力波信號后的1.7秒，美國費米太空望遠鏡就觀(guān)測到疑似對應的伽馬射線(xiàn)暴。LIGO和費米立即向天文界發(fā)送警報，隨后，全球約70個(gè)地面及空間望遠鏡從紅外、紫外、X光等不同波段展開(kāi)全面的后續觀(guān)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(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(zhù)更多更神秘的宇宙謎團將一步步由此揭開(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(cháng)加入了麻省理工學(xué)院LIGO實(shí)驗室，從此和引力波結下不解之緣。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(chēng)“清華工作組”)加入LIGO科學(xué)合作組織，參與數據處理工作。

　　“當時(shí)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(gè)工作組，因為我們所有成員都沒(méi)有天文物理背景，而是從事計算機和自動(dòng)化研究的。”曹軍威說(shuō)。

　　前五年，清華工作組主要側重于計算平臺搭建和數據分析。但是，基于專(zhuān)業(yè)敏感和自身特長(cháng)，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(shí)很多人對此并沒(méi)有清晰明確的認識。

　　“我們一開(kāi)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)現后，立刻協(xié)調其他設備共同觀(guān)測，當然是算得越快越準越好。”曹軍威說(shuō)，“只是沒(méi)想到，這一切來(lái)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和壓力。

　　LIGO于2017年8月25日結束第二次科學(xué)運行，并計劃于今年七八月間開(kāi)始第三次科學(xué)運行，這期間的主要工作是升級探測器，進(jìn)一步提高靈敏度。“靈敏度提高了，探測到引力波的幾率就會(huì )大大增加。原來(lái)可能一年發(fā)現幾次信號，將來(lái)可能每月，甚至每天都能發(fā)現信號，現在的數據處理速度還遠遠跟不上這個(gè)節奏。”曹軍威說(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，其余都是從事數據處理分析工作的。他們分成多個(gè)組來(lái)處理探測數據，比如引力波暴數據分析組(Burst)、致密雙星并合數據分析組(CBC)、連續波數據分析組(CW)以及引力波隨機背景數據分析組(Stochastic)等。

　　“清華工作組只承擔了其中很小一部分，現在主要參與CBC的加速工作、探索使用計算機神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據處理等。”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)現轉換成生動(dòng)直觀(guān)的圖像甚至是視頻，而它們其實(shí)來(lái)源于LIGO探測器每秒采樣16000次形成的密集數據。這些數據，要經(jīng)過(guò)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據處理流水線(xiàn)：首先，天文臺將觀(guān)測數據打包傳送到數據中心;然后，對這些數據進(jìn)行預處理;接下來(lái)，將預處理后的數據與大量引力波數據模板進(jìn)行快速并行匹配，以確定信號是不是引力波;最后，發(fā)出預警，協(xié)同觀(guān)測。

　　“以前，這個(gè)過(guò)程大概需要幾分鐘。后來(lái)，我們對濾波算法進(jìn)行了加速，可以在1秒內完成數據和上萬(wàn)個(gè)引力波數據模板的匹配，從而把整個(gè)過(guò)程縮短到十幾秒。我們下一步的目標是3至5秒。”同在清華工作組里的都志輝副教授說(shuō)。

　　“引力波對應的電磁信號的發(fā)現，恰恰印證了高性能并行計算的必要性。當引力波過(guò)來(lái)時(shí)，一些伴隨引力波的電磁信號間隔時(shí)間可能非常短，僅僅只有幾秒，要捕捉這些很快出現又十分短暫的電磁信號，就必須實(shí)現引力波數據的準確快速處理，甚至是‘零延遲’。”都志輝說(shuō)。

　　不過(guò)，目前LIGO的數據分析還不能完全實(shí)現自動(dòng)化，工作組要輪流值班，人工檢查數據產(chǎn)生的觸發(fā)。“我們正在嘗試引入人工智能，如果成功，將來(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，并更快地給出結果。”曹軍威說(shuō)。

　　清華工作組在LIGO科學(xué)合作組織中的積累和創(chuàng )新，將為中國未來(lái)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(lǐng)域，中國應該積極參與國際合作，培養人才，積蓄力量。