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引力波数据分析的困难 精选

已有 6888 次阅读 2017-10-22 10:29 |个人分类:大众物理学|系统分类:科普集锦



这故事也给了我们一个教训。真正的胜利,并不是你能用武器争取的,那一定要用你的信心。无论多可怕的武器,也比不上人类的信心。

——古龙《七种武器·孔雀翎》



引力波探测不仅需要很多硬件技术上的创新,还面对着很多数据处理上的困难,这里用引力波事件GW170817说明数据分析的困难。

GW170817是最新公布的引力波事件,观测到两个中子星的融合事件,距地球1.3亿光年。因为今年的诺奖刚刚颁发给引力波,更因为这是第一个多信使天体物理探测(引力波、伽玛暴、光学探测,等等),还因为步调一致的新闻发布,所以,这次探测一扫前几次引力波报道的颓态,造成了很大的反响。

这次引力波探测也是“信号最强的一次”,两台LIGO和一台VIRGO同时探测,最终的组合信噪比达到了32.4,其中,LIGO Hanford18.8LIGO Livingston26.4,而VIRGO2.0$\sqrt{18.8^2+26.4^2+2.0^2}\approx 32.4$。在这三台探测器里,表现最好的是LIGO Livingston,我们就用它的数据来说明引力波数据分析的困难。数据来自于LIGO网站(Data release for event GW170817  https://losc.ligo.org/events/GW170817/ )。

这次引力波事件发生于 GPS时间 time 1187008882.43 == August 17 2017, 12:41:04.43 UTCLIGO网站给出了这个时间附近的2048秒的数据,每秒钟采样4096个数据点。还有各个观测站的采样频率更高、采样时间更长的数据,但是我懒得处理了。只用Livinston的了。这次信号持续时间长达几百秒,峰值振幅(也就是两个中子星碰到一起)的时刻是1842.43秒左右。

下面的图是我根据LIGO公布的数据画出来的。这个数据已经被LIGO去除了部分噪音:我不知道怎么去除的,网站上也有没去除噪音的数据,但是乍看好像没有太大的差别。我觉得这个不影响我们的说明,所以就再偷个懒。这里展现的是同一组数据,但是有着不同的缩放比例。一共是6个小图,横坐标都是时间,纵坐标都是引力波引起的相对长度变化(应变,strain),但是每个图的尺度是不一样的。红色条给出了应变的尺度,而绿色条给出了时间的尺度。

1-2048秒的全体数据太多了,WPS软件处理不了。第一个图(左上)是1801-185050秒的数据,应变有很大的起伏,大于10-17,但是这些都是低频起伏,远低于1Hz,很容易去除的;第二个图(中上)是1831-184515秒的数据,应变仍然大于10-17,仍然是低频起伏;第三个图(右上)是1842-18431秒的数据,应变仍然大于4×10-18,而且可以看到几个Hz的起伏了;第4个图(右下)是1842.3-1842.50.2秒的数据,应变大于10-18,但是看起来很光滑,最大信号振幅应该就发生在这里,但是太小了,看不到的(一会儿我们再说它)。

为了对数据有更进一步的了解,我们又把它放大了一些,这就是最后的两张图。第五个图(中下)里,应变的变化范围大约是2×10-19。第六个图(左下)是放大到最大的数据图了,它有120个数据点,大约30毫秒的采集时间,数据的起伏大约是1×10-20(除掉光滑的背景)。这里仍然不能明显第看到信号,原因是信号幅度远小于这个(这个采样位置发生在碰撞之后,我用它只是因为这里有个极小值,可以清楚地看出数据的起伏大小)。

那么,信号到底是多大呢?LIGO只是说10-22的量级,并没有给出具体的大小,我猜它只有0.5×10-22(没有任何可靠的依据)。

这几个图就可以让我们略微知道引力波数据分析面临的巨大困难了。这也是为什么LIGO要有很多的、各种各样的传感器来探测外界的微小扰动,只有这样才能把光滑的背景起伏消除,让应变从10-17的量级减小到10-20的量级,然后还要进行各种数据处理(主要是平均了),再与数值广义相对论计算的各种模式进行对比,才能确认量级为10-22的引力波信号。

只有那些对广义相对论特别是引力波理论具有坚强信心的人,才能够做到这一点,才能取得成功。





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