• 注册
  • 物理知识 物理知识 关注:621 内容:94

    新研究从噪音中“拯救”引力波信号?

  • 查看作者
  • 打赏作者
  • 当前位置: 博科园 > 物理学 > 物理知识 > 正文
    • 1
    • 物理知识
    • Lv.18人类
      VIP4博科园 VIP
      8周年🎂

      两份独立的论文化解了科学家对LIGO发现引力波的疑虑,当科学家首次发布发现引力波的历史性消息之后,质疑声也接踵而至。激光干涉引力波天文台(LIGO)对时空结构中微弱波动的探测为宇宙打开了一个新的窗口。第二年哥本哈根尼尔斯玻尔研究所(Niels Bohr Institute)的物理学家发表了一篇论文,对LIGO分析提出了质疑。他们把批评的焦点集中在该实验著名的第一个信号上,一条弯弯曲曲的线代表了超过10亿光年之外巨大黑洞的碰撞。就在LIGO探测到更多引力波信号并获得诺贝尔奖时,由教授安德鲁·杰克逊(Andrew Jackson)教授领导的哥本哈根研究员声称在LIGO双探测器所探测到的“噪声”中发现了无法解释的相关性。

      新研究从噪音中“拯救”引力波信号?

      博科园-科学科普:探测器是L形仪器,当引力波经过时,它的双臂交替地伸展和挤压。探测器分别位于路易斯安那州的利文斯顿和华盛顿州的汉福德,以确保只有来自太空的引力波才能让这两个仪器发生摆动,从而产生指示信号。但是根据杰克逊和团队所说:噪音数据中的相关性表明LIGO探测到的可能不是引力波,而是一些地面扰动,仪器或LIGO科学家的分析至少有一方存在问题。因为研究结果令人担忧,LIGO的科学家们再次检查了他们的研究,去年一组专家访问了尼尔斯波尔研究所(Niels Bohr Institute),深入研究杰克逊及其同事的算法细节。两组研究人员开始独立分析LIGO数据和哥本哈根小组的代码。

      新研究从噪音中“拯救”引力波信号?

      对LIGO数据的新分析能够清晰地从背景噪声中提取引力波信号。图片:Nick Kempton for Quanta Magazine

      现在两个小组都完成了研究,新论文从不同方面解释了导致杰克逊和合著者提出问题的原因。但两项分析都明确地指出这一看法是错误的:LIGO噪音中没有无法解释的相关性。其中一篇论文的作者、圆周理论物理研究所(Perimeter Institute for theory Physics)的物理学家马丁·格林(Martin Green)和约翰·莫法特(John Moffat)说:我们认为没有理由对引力波的发现心存疑虑。莫法特说:对科学来说,独立于团队对数据和结果进行分析至关重要,尤其是检验物理学史上的历史性事件。

      新研究从噪音中“拯救”引力波信号?

      普林斯顿大学(Princeton University)引力波专家弗朗斯·比勒陀利亚(Frans Pretorius)没有参与最近的任何一项研究,一年多来,他和大多数物理学家认为LIGO的分析和发现是合理的,并表示:尽管如此,重要的是有一篇论文能全面分析问题,而不是反反复复炒作。由1200人组成的LIGO科学合作组织发言人、麻省理工学院的戴维·舒梅克(David Shoemaker)说:新发现证实了该团队内部的争论。舒梅克说:看到这两项非合作的分析结果,再次证实了引力波的探测是真实的,也帮助我们发现杰克逊等人的论文存在问题,这篇论文于2018年9月发表在《物理快报B》(Physics Letters B)上。

      新研究从噪音中“拯救”引力波信号?

      位于华盛顿汉福德(左)和路易斯安那利文斯顿的LIGO引力波探测器。图片:LIGO Lab/Caltech/MIT

      杰克逊还驳斥了德国汉诺威马克斯普朗克引力物理研究所(Max Planck Institute for引力物理)的亚历克斯尼尔森(Alex Nielsen)和三位合著者的第二组发现。尼尔森的论文2017年11月发表《arxiv》上,目前正在接受《宇宙学与天体粒子物理学》(Journal of Cosmology and Astroparticle Physics)的审查。杰克逊写道:我们正在对这篇最新的论文做出回应,我不会再次解释他们在哪里犯了错误。莫法特说:哥本哈根小组拒绝承认他们存有错误, 事实上,他们的确错了。 这个问题归结于一系列的失误:哥本哈根物理学家犯了几个错误,LIGO犯了一个错误。

      新研究从噪音中“拯救”引力波信号?

      为了弄清楚嘈杂背景中传来的微弱摆动引力波,LIGO算法不断将双探测器的臂长(当受到传来的引力波或背景噪声搅动时振荡)与“模板波形”(可能由爱因斯坦广义相对论计算的引力波信号)进行比较。当汉福德检测到的信号与利文斯顿不久前或之后检测到符合模板波形的信号非常接近时,警报就会在全球范围内传播。然后科学家们仔细地确定与两个探测器中的信号最接近的“最合适”引力波形式。每当从信号中减去这个波形时,就会留下“噪声残差”——探测器中剩余的小波动应该与之不相关,因为仪器相距大约2000英里。

      新研究从噪音中“拯救”引力波信号?

      哥本哈根小组在其2017年的论文中声称,发现利文斯顿的噪音在7毫秒后与汉福德的噪音相匹配。他们将此解释为:LIGO要么没有将其信号与噪声完全分离,要么噪声的相关性恰好在正确时刻引发了整个信号。然而格林和莫法特在哥本哈根团队的数据处理中发现了一系列错误,他们说这些错误穿插在一起导致了实际上并不存在的相关性。为了寻找残差之间的相关性,杰克逊和同事们选取了20毫秒的利文斯顿数据片段,并将20毫秒的汉福德数据片段移过残差,当峰值与峰值重叠,波谷与波谷重叠时,记录下相关性。发现当数据偏移7毫秒时,就会产生很强的相关性。格林和莫法特注意到,当他们把杰克逊和同事的代码颠倒过来,修复汉福德噪声数据并将利文斯顿的数据片段移过汉福德噪声数据时,这种7毫秒偏移的相关性消失了。

      新研究从噪音中“拯救”引力波信号?

      数字信号处理专家格林说:这是一个危险信号,因为没有稳健的计算方法。相反,数据段的长度及其不对称处理“被调谐,以获得时间偏移的相关信号。在另一项独立计算中,杰克逊和团队似乎在两个探测器的噪音记录中发现了非随机、相关的波峰和波谷模式。但格林和莫法特推断,哥本哈根的物理学家们并没有“开启”这两组噪音数据。窗函数是一种标准技术,它能在一段数据的开始和结束时将信号平滑地拨到零,然后再进行一种称为“傅立叶变换”的数学运算,以便与其他数据进行比较。傅里叶变换把数据段看作是循环往复。如果段没有窗函数,将数据与另一个数据集进行比较时,端点处称为“边界失真”的突变可能看起来与相关性相似。

      新研究从噪音中“拯救”引力波信号?

      图片:Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine. Sources: doi:10.7935/K5MW2F23 (Gravitational Wave Signal); doi:10.1088/1475-7516/2017/08/013 (2017 interpretation of noise); Duncan Brown (2018 interpretation of noise)

      当格林和莫法特打开这两组噪音数据的窗口时,相关性就消失了。格林说:我们担心哥本哈根小组所做的计算是为了得到他们想要的结果。尼尔森和他的合著者——亚历山大·尼茨,科林·卡帕诺和邓肯·布朗也得出结论:研究者声称噪声的相关性并不是真实。这个错误的部分原因要归于2016年LIGO在《物理评论快报》(alReviewLetters)发表论文的第一个图中提供了错误数据。雪城大学(Syracuse University)的引力波天文学家布朗说:图1是人们纹在胳膊上的东西。布朗是LIGO的前成员,2018年年离开了合作项目,对数据进行独立分析。图顶部显示了并排的弯曲线条,代表了在利文斯顿和汉福德探测到的引力波信号。

      新研究从噪音中“拯救”引力波信号?

      下面是与信号密切匹配的模板波形。图底部,从每个数据集中减去模板波形后,锯齿状的线表示两个检测器中的“噪声残差”。在2017年年访问哥本哈根期间,他详细研究了杰克逊的代码,由于普通的原因,在7毫秒偏移时检测残差中的重叠:图1所示的模板波形不是LIGO在严格分析中实际使用的“最佳拟合”波形。布朗等人解释说:这幅图仅有说明作用。数字制作者用眼睛将模板波形与孪生信号互相匹配,而不是使用经过仔细计算确定的最佳匹配信号。减去波形中瑕疵意味着有一些引力波信号在两个数据集没有减去,并最终与图1所示的噪音混合在一起——产生让人争论的相关性。布朗说:发现的是信号波形的‘不完美减法’。当减去一个比PRL论文中使用的更好波形时,没有发现统计上显著的残差。

      新研究从噪音中“拯救”引力波信号?

      LIGO迄今为止探测到10次黑洞碰撞的可视化图,以及它们产生的引力波信号。图片:Teresita Ramirez, Geoffrey Lovelace, SXS Collaboration, and LIGO Virgo Collaboration

      如果LIGO出现了什么错误,那就是它并没有清楚地表明,数字的某些部分具有说明性,而检测声明也不是基于图1。到底是LIGO草率的数据,还是哥本哈根小组错误的计算?布朗说:事实上,我认为两者都有。如果杰克逊和同事们能够像格林和莫法特的研究结果所显示的那样,调整参数,以在7毫秒的偏移时间内建立相关性,那么计算结果就会出现偏差。然后在相同的偏移量下,偏置算法在噪声中选取了不完全相减的信号位,强化了错误。然而杰克逊坚持认为,这种无法解释的相关性真实存在,他正与同事计划反驳最近的研究。

      新研究从噪音中“拯救”引力波信号?

      杰克逊仍然认为LIGO发出的第一个、最强大的引力波信号(以及其他引力波信号)可能完全是另外一回事。但这两篇新论文都对LIGO的原始数据进行了回顾和重新分析,并利用与LIGO不同的算法重新发现了其中的引力波信号。LIGO发言人舒梅克说:我认为,对引力波数据进行独立分析是一件非常重要和有价值的事情,我们很高兴有更多的人参与其中。杰克逊等人的研究激发了一些额外的独立研究,这可以被视为一个积极的结果,但我个人认为,它带来了完全不必要的‘戏剧’成本。

      博科园-科学科普|参考期刊文献:《物理评论快报》

      文:Natalie Wolchover/Quanta magazine/Quanta Newsletter

      DOI:doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102

      博科园-传递宇宙科学之美

    • 生成海报
    • Lv.21珠穆朗玛峰
      阿基米德🌏
      打赏了1金币

      跨界认知研究者-探索人文与自然的链接

      回复

      请登录之后再进行评论

      登录

      赞助商

    • 相互支持,合作共赢 Win-Win Cooperation

      邀请好友加入【博科园】有奖励啦♪

    • 实时动态
    • 任务
    • 偏好设置(换皮肤)
    • 到底部
    • 帖子间隔 侧栏位置:
      关闭窗口
      下载海报