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机器学习:引力波探测的幕后功臣2016-03-01 16:05:27 | 编辑:hely | 查看: | 评论:0

机器学习作为一种先进的数据处理工具,不仅能给我们带来更好的日常工具(如语音和图像识别),让我们的生活更加便利,也能在理解宇宙的宏大篇章中立有一席之地,帮助我们从纷繁纠结的数据中过滤出那珍宝一般的信息,揭开宇宙的终极秘密。

本文讲述了机器学习在引力波探测中的应用。

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一、什么是引力波?

爱因斯坦最迷人的理论,莫过于时空结构与万有引力之间的关系。他认为,三维空间与一维时间其实是四维时空中的一个截面,而我们所说的万有引力正展现了四维时空的几何特性。

把这个理论简化成二维的面,就很好理解了。一张平面的纸和一个球的外表面都是二维表面。纸面的内蕴几何是平坦的,而球面是弯曲的。那么,对于生活在面上的 蚂蚁,如何才能得知自己生活在纸面还是球面上呢?你可以画出两条长长的直线,它们的起点彼此接近,并向平行的方向延伸。在纸面上,这样的两条直线会永远保 持平行,而在一个球面上,两条直线会逐渐汇聚,并在经过πR/2的距离后相交(R是球面的半径)。

纸面和球面上的直线都是自由落体在时空中的轨迹。与牛顿定律不同,爱因斯坦认为,四维时空中的直线正是不受外力的物体静止或匀速运动时(也就是「自由下落 (free fall)」)的轨迹。在三维空间中沿着抛物线下落的炮弹轨迹,在四维时空中是一条直线;围着太阳旋转的地球轨迹,在时空中也是一条直线。

二、如何探测引力波?

在人类探测引力波的半个世纪历程中,科学家们开发出了各种不同的探测技术。对引力波的直接探测,主要有三种不同的方法,分别针对三个不同的波段。

1,10Hz~1kHz:激光干涉测量

这是目前探测的最高频波段。这个波段主要来源于旋转的中子星或双黑洞系统合并前以及合并过程中产生的引力波。对这个波段主要采用的方法是激光干涉测量 (Laser Interferometry),包括前短时间震惊世界的LIGO(the Laser Interferometer Gravitational- Wave Observatory),还有欧洲的处女座干涉仪(Virgo Project)。LIGO探测仪位于两个地方——美国华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的利文斯顿,处女座的探测仪则位于意大利的卡希纳。

激光干涉的工作原理是什么呢?如下图所示,一束超稳定激光射向一个分光镜(beamsplitter),平均分为两束垂直的光线,经过3~4公里之后,光 线再被反射回分光镜。反射回来的两束光线重新混合在一起,并进行观测。这束重新混合的光的强度与两束光返回的时间差的余弦成一定的比例。路程中的引力波扰 动会影响光线返回的时间,从而影响重新混合的光强。

 

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2,0.01mHz~1Hz:航天器多普勒追踪(Spacecraft Doppler Tracking)

这个波段的目标非常丰富。数以千万计的白矮星双星系统都位于这个波段,它们辐射出的引力波可以被将来的激光干涉空间天线(LISA)项目探测到——这个项 目仍在设计阶段,计划于2034年投入运行。白矮星在电磁波中非常黯淡,所以目前很难观测。预计,将来用引力波观测到的白矮星数量将大大超过电磁波观测到 的数量。但由于地面激光干涉仪难以达到该波段的精度,因此只能将探测任务放在太空中,这就是LISA项目。LISA将由三个相同的航天器组成一个边长为 500万千米的等边三角形,位于与地球相同的日心轨道。它的原理与激光干涉类似,你可以把每个航天器想象成一个分光镜,而另外两个是反射镜。

 

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3,1nHz~1μHz:脉冲星计时阵(Pulsar Timing Arrays)

引力波的探测需要极高的精度。在前两个波段,人们依靠的都是激光相位,而在1nHz~1μHz波段,人们使用的是大自然创造的精密时钟——脉冲星计时阵 (PTA),也就是毫秒脉冲星(MSP)组成的网络,它们的脉冲可以长时间保持稳定,适用于探测时间特征以天或年计的引力波。目前正在进行的项目有欧洲 PTA,北美Nanohertz引力波天文台和帕克斯天文台。

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