來自宇宙的微弱聲音
——2017年度諾貝爾物理學獎成果簡析

郭宗寬 黃慶國

2017年10月3日，瑞典諾貝爾委員會將2017年度諾貝爾物理學獎授予3位美國物理學家：Rainer Weiss、Barry Clark Barish和Kip Stephen Thorne，以表彰他們為LIGO（Laser interferometer gravitationalwave observatory）探測器建設以及引力波探測所作出的貢獻。3位獲獎者中，Rainer Weiss最早提出了用激光干涉儀探測引力波并作噪聲分析，為LIGO探測器建設和觀測到引力波信號起到了決定性作用，Barry Clark Barish對建立LIGO作出了關鍵貢獻，而Kip Stephen Thorne的貢獻則在于引力波探測和LIGO的理論方面。

1 2017年度諾貝爾物理學獎獲得者

Rainer Weiss，美國物理學家，1932年9月29日出生于德國柏林，分別于1955年和1962年獲得麻省理工學院學士和博士學位。1960—1962年任教于塔夫茲大學，1962—1964年在普林斯頓大學從事博士后研究，1964年加入麻省理工學院，并于1973—2001年擔任麻省理工學院教授，目前為美國麻省理工學院榮譽教授。Weiss一直致力于引力物理和天體物理的研究，曾任宇宙背景探測器（cosmic background explorer，COBE）科學探測團隊主席。他發明了引力波探測中的核心技術——激光干涉測量技術，對LIGO的設計、建造和項目立項起到關鍵作用。

Barry Clark Barish，美國物理學家，1936年1月27日出生于美國內布拉斯加州，1957年獲得物理學學士學位，1962年于加州大學伯克利分校獲博士學位，1963年加入加州理工學院，成為粒子物理國家實驗室一員。此外他還于2005—2013年擔任國際線性加速器總體設計的主任。目前任職于美國加州理工學院。1994年Barish成為LIGO合作組的項目負責人，并領導了LIGO項目得到國家自然科學基金資助，1997年成為實驗室主任。他還領導了Livingston和Hanford兩個引力波天文臺的建設，以及建立了LIGO國際科學合作，最終使引力波探測成為可能。

Kip Stephen Thorne，美國物理學家，1940年6月1日出生于美國猶他州，1962年于加州理工學院獲學士學位，1965年于普林斯頓大學獲博士學位，1967年回到加州理工學院任副教授，1970年晉升為理論物理教授，成為加州理工學院最年輕的教授之一，目前任職于美國加州理工學院。Thorne主要研究相對論性天體物理和引力物理學，是LIGO項目立項的主要領導者之一。他發展了從數據中甄別和發現引力波信號的分析技術，為LIGO得以發現引力波和確定波源的物理特性奠定關鍵的理論基礎。

2 引力波

引力波是時空曲率像波一樣以光速在時空中傳播。1916年愛因斯坦基于他所提出的廣義相對論預言引力波的存在。宇宙中一類典型的引力波波源是兩個相互環繞的致密天體。天體的質量越大，它們的間距越小，那么引力越強。同樣地，越致密的兩個天體相互環繞對方的時候越可以以更短的距離靠近對方，從而產生更強的引力波。

1974年，美國科學家Hulse和Taylor用引力波導致能量損耗的機理來解釋所發現脈沖雙星的軌道在不斷減小，間接觀測到了引力波，因此獲得了1993年度諾貝爾物理學獎。自愛因斯坦提出引力波后，歷經百年的不懈努力，LIGO終于于2015年9月14日首次探測到距離地球約13億光年的2個質量分別約為36和29倍太陽質量黑洞并合產生的引力波，并且引力波攜帶走約3倍太陽質量的能量。這是人類首次證實存在恒星級雙黑洞系統，也是人類首次直接探測到引力波。隨后LIGO又探測到另外兩次黑洞并合產生引力波事件。特別是，2017年8月17日，LIGO和位于歐洲的Virgo聯合觀測到兩個中子星并合產生的引力波事件，這是人類第5次直接探測到引力波，這一事件同時被很多其他天文觀測測量到并合產生的光學對應體。

3 用激光干涉儀探測微弱的引力波信號

激光干涉引力波天文臺（LIGO）項目在20世紀80年代由麻省理工學院和加州理工學院共同提出，得到美國國家科學基金會（NSF）的資金支持，開展LIGO的可行性研究。1994年，LIGO獲得NSF的3.95億美元的長期資助，開始天文臺建設，先后在華盛頓的漢福德（Hanford）和路易斯安那的利文斯頓（Livingston）建造3臺臂長千米級別的干涉儀（即第一代陸基激光干涉引力波探測器）。到2002年，LIGO開始進行引力波的搜索。隨著激光探測技術的不斷發展，2014年LIGO開始全面升級，升級后的激光干涉引力波天文臺被命名為Advanced LIGO（即第二代陸基激光干涉引力波探測器）。

2016年2月11日，美國國家科學基金會和歐洲引力天文臺正式宣布，升級后的激光干涉引力波天文臺于2015年9月14日第一次直接觀測到了引力波（該事件被命名為GW150914），驗證了廣義相對論在100年前引力波的預言。Advanced LIGO由2個相距3000 km的獨立激光干涉儀組成，一個位于漢福德（臂長4 km），另一個位于利文斯頓（臂長4 km）。2016年2月17日，LIGO-India項目得到批準，該項目計劃將漢福德的臂長2 km的探測器搬到印度，在印度建立一個新的引力波探測器，有助于準確定位引力波波源的方向。

用激光干涉儀探測引力波的原理非常簡單，每個干涉儀由L型的2個臂組成，當引力波經過時，2個臂長差隨時間發生細微變化，該細微變化反映在激光干涉條紋上。分光鏡（beam splitter）將入射光分成互相垂直的兩束，分別沿干涉儀的2個臂傳播，被臂端的反射鏡反射后，再回到分光鏡，進入光電探測器（photodetector）。當干涉儀兩臂相等時，輸出是相消干涉；當干涉儀的2個臂長差隨引力波的周期和強度變化時，激光束的位相也將受到相應調制。

但由于引力波信號非常微弱，實際的引力波探測要求復雜和精密的光學技術，因此經歷了百余年科學技術的發展，才得以直接探測到。例如，升級后的LIGO觀測到的GW150914引力波事件，應變（strain）大小為10-21，對于臂長為4 km的干涉儀，引起的臂長差為10-18m，相當于原子核直徑的萬分之一。Advanced LIGO采用了FP（fbry-perot）腔技術，干涉儀的每個臂用FP腔代替，光束在腔內被折疊了很多個來回，相當于增加了臂長，實現相位差的積累，從而增加引力波信號的探測靈敏度。另外，采用了相位鎖定探測技術，去除激光強度波動噪聲。引力波的可探測靈敏度與激光的功率成正比，但功率的增加又引起光學元件熱形變、熱透鏡效應、模式畸變等不穩定性，特別是輻射壓力噪聲。

目前對干涉儀的噪聲主要來自地面振動噪聲、熱噪聲和量子噪聲。前兩者來自背景干擾，可以采用有效辦法避免和補償；而量子噪聲是由量子漲落帶來的不確定性。當干涉儀兩臂相等時，輸出相消干涉。但量子效應實際的光場并不為0，而是存在一個微小的量子漲落。當引力波經過時，這個微小的漲落會干擾引力波信號的探測。在高頻段主要來自光場的相位漲落（稱為散粒噪聲），在低頻段主要來自光場的振幅漲落作用在鏡子上的隨機輻射壓力（輻射壓力噪聲）。由于未來引力波干涉儀的噪聲將完全由量子噪聲主導，因此超越標準量子極限是提高未來所有陸基引力波探測器靈敏度的最重要的問題。研究表明光壓縮態技術，可數量級地提高干涉儀的可探測靈敏度。

4 從噪音中提取微弱的引力波信號

引力波數據分析是從觀測數據中尋找引力波信號。引力波探測器測到的應變強度為10－19，而在探測器可觀測頻率范圍內典型的雙黑洞并合產生的引力波信號為10-21，也就是說，在時域上噪音完全淹沒了信號。基于儀器噪音的統計性質和數值相對論的理論建模，通過匹配濾波技術可以把埋在噪聲下的引力波信號挖出來。匹配濾波方法首先搜集一段時域數據，然后通過傅里葉變換將信號轉換到頻域，在頻域數據中找尋引力波信號。可以說，人類首次引力波探測GW150914是實驗技術進步和理論研究突破結合的產物。

從各個引力波探測器傳送過來的數據，在進行匹配濾波之前，首先要對數據進行預處理。除了干涉數據，同時也記錄了全球定位系統（GPS）時間、探測器的狀態信息和環境條件，如，溫度、氣壓、地震、聲響、電場、磁場等，多達幾百個數據通道。預處理主要根據記錄的輔助數據標識出由于儀器等原因不可使用的干涉數據，得到片段的科學數據。匹配濾波就是要從這些科學數據中發現隱藏的引力波信號，然后根據多個探測儀的結果對引力波的方位進行定位。

快速識別引力波信號具有十分重要的科學意義，只有快速識別才可以向電磁望遠鏡發出預警，及時探測致密雙星并合事件產生的電磁信號，從而對于全面了解引力波源所發生的天體物理過程。因此，數據分析面臨2方面的挑戰：1）提高發現引力波信號的準確度，既不能漏掉引力波信號，也不能把噪聲誤報為信號。2）提高發現引力波信號的速度，必須在雙星合并時甚至在雙星合并之前給出可靠的引力波信號警示與精確的引力波方位，從而為同時觀測電磁對應體在時間上提供保證。目前有很多不同的實時在線數據處理流水線來處理引力波數據，如SPIIR（summed parallel infinite impulse response）流水線、CWB（coherent wave burst）流水線、PyCBC和GstLAL流水線。SPIIR流水線是一種運用無限沖擊響應技術的時域引力波搜索方式，CWB流水線是同時對多個觀測站的數據進行小波分析，然后對得到的小波系數進行聚類來發現引力波信號。

匹配濾波分析依賴于引力波波形庫。基于數值相對論所建立起來的有效單體數值相對論模型在GW150914的數據處理中已發揮了巨大的威力。數值相對論就是在計算機上數值求解引力波源對應愛因斯坦方程。在數值相對論發展的早期，數值相對論學家在很長時間里被穩定性問題困擾。計算不穩定表現為在計算過程中微小誤差迅速指數地增加，導致程序中非數的發生。直到2005年，Pretorius宣布數值相對論的穩定性問題被成功突破，并給出雙黑洞整個并合過程的數值計算。之后，數值相對論學家們把關注的重心轉移到雙黑洞波源引力波數值計算的準確性和計算效率問題上。

5 中國科學家的相關研究

2009年LIGO科學合作組織（LSC）接受清華大學為中國大陸唯一成員。清華大學LSC研究團隊由清華大學信息技術研究院研究員、LSC理事會成員曹軍威負責，研究團隊還包括清華大學計算機系副教授都志輝和王小鴿等成員。研究團隊著重采用先進計算技術提高引力波數據分析的速度和效率，參與了LSC引力波暴和數據分析軟件等工作組相關研究。清華大學研究團隊主要與麻省理工學院、加州理工學院、西澳大利亞大學、格拉斯哥大學等LSC成員合作，在引力波實時在線數據處理和多信使天文學方面開展了算法設計、性能優化與軟件開發等方面的工作，主要研究成果包括：GPU加速引力波暴數據分析、實現低延遲實時致密雙星并合信號的搜尋、采用機器學習方法加強引力波數據噪聲的分析等。清華大學研究團隊還研究利用虛擬化和云計算技術構建引力波數據計算基礎平臺，開發的軟件工具為LSC成員廣泛使用。

6 結論

2017年度諾貝爾物理學獎的獲獎工作首次直接觀測到了引力波（GW150914），驗證了廣義相對論在100年前對引力波的預言，打開了人類認識宇宙的一扇嶄新的窗口，也拉開了引力波天文學和引力波宇宙學的序幕。?