星空魅影與引力波的發現

錢童心

[直到上世紀90年代，世界各地的一些大型激光干涉儀引力波探測器開始籌建，才拉開引力波探測黃金時代的序幕。]

“這個信號太完美了！主觀上一直不願意相信，LIGO發展了20多年，凝結了數代科研人員的努力，似乎一個弱得多的信號才能體現出LIGO強大的威力。不過，也正是大家那麼多年的努力，才配得上這個堪稱完美的結果。”這是張淵皞，一名來自上海的美國羅切斯特理工大學在讀博士的感慨。他的另一個重要身份是LIGO（激光干涉引力波天文台）項目的參與者。

張淵皞的星空夢始於科幻影片的發。小學四年級時看了《星球大戰——魅影危機》，這讓他對浩瀚的星空生了強烈的探索欲。

他，現在人類離夢想更近了，甚至比想象中做得更好。

初識

事實上，如果你以為引力波就是坐在美國國家科學基金會發布會現場的那幾個科學家發現的可就大錯特錯了。這是一個全球科學家共同參與和推動的國際性研究項目。在LIGO研究項目有關的科研人員中，我們也發現了中國面孔，張淵皞就是其中之一。

在參與LIGO研究的兩年半時間裏，張淵皞負責對引力波數據進行分析。簡單地，就是通過編寫程序將引力波和噪聲區分，從而找到引力波並從信號裏面提取有用的信息。

我問他，當一名天體物理科研工作者是一種怎樣的體驗？他開玩笑：“這是一種出來很恐怖但別人以為你是星象大師的即視感。”

起來，張淵皞加入LIGO研究項目，也是機緣巧合，是“誤打誤撞走到現在”。剛到美國時，他的研究方向是紅超巨星演化，但在2013年10月美國政府關停期間，導師的項目經費被叫停了。

這時他認識了現在的導師JohnWhelan教授。Whelan教授從事引力波的研究長達十多年，當時正缺一個LIGO項目的助手，於是兩人一拍即合，張淵皞就從那時開始參與周期性引力波的觀測。“引力波聽上去挺有趣，而且一直沒有找到，所以感覺會很有意思。”這是張淵皞決定加入的初衷。

翻開張淵皞的微信朋友圈，裏面只有為數不多的幾張星空圖，但每一張都很震撼，它們勾起了每個人童年時的夢想。“2015年3月22日，約束亞樹火流星，這是一顆非常長的火流星，可惜只能拍到一部分。”他在一張照片的評論中寫道。

觀測

2015年，他隨導師在德國漢諾威的馬克斯普朗克引力物理研究所（下稱“馬普所”）做了一年的研究工作。馬普所作為LIGO科學合作組織的重要組成部分，無論在理論還是實驗方面都有非常強大的團隊，也為本次探測做出重要貢獻。

過去兩年中，張淵皞一直在尋找雙星系統裏中子星發出的連續引力波。與這次發現的引力波不同，這是一種信號持續長久但是微弱數萬倍的引力波，如果能找到，將會令信號處理技術提升一大步，並且能夠幫助人類研究了解中子星和這種雙星系統的物理性質。

由於引力波造成的空間非常小，大約只有萬分之一個質子的大小，這令探測變得極為困難。在后續的數據分析過程中，要提取淹沒在波濤洶湧的噪聲中小水花一般的真實的引力波信號，是個巨大的挑戰。

直到上世紀90年代，世界各地的一些大型激光干涉儀引力波探測器開始籌建，才拉開引力波探測黃金時代的序幕。

引力波的成功發現是國際通力合作的成果。比如英國的大學對LIGO鏡子懸掛系統做出相當大的貢獻，德國研究機構提供激光技術，澳大利亞的大學運用了光學壓縮態的實驗方法，法國和義大利推出了LIGO-VIRGO探測器。

全球大型的引力波探測器不僅有美國路易斯安那州利文斯頓的臂長4000米的LIGO，在義大利比薩附近，也有臂長為3000米的VIRGO；此外，在德國漢諾威有臂長600米的GEO，日本東京國家天文台也有臂長為300米的TAMA300。目前VIRGO正在進行升級，預測將於今年年底開始運行。此外，歐洲的太空引力波項目eLISA和日本的地下干涉儀KAGRA的研發和建設也在進行中。我國引力波研究的“阿里實驗計劃”將由中科院高能物理研究所牽頭，依托國家天文台在阿里建設的觀測站進行。

當興趣愛好變成了一項工作，張淵皞的生活就變成了這樣：每天一早喝一杯咖啡吃兩個麵包就要匆匆趕去學校，在辦公室電腦前面做一大堆數據分析（全球LIGO數據都是聯網的），每周兩到三次和世界各地的LIGO科學合作組織成員電話會議、交流新的進展、和導師討論、參加學術演講，等等。

作為一名親身參與LIGO並親歷引力波發現之旅的天體物理學研究者，這個發現讓張淵皞和Whelan教授都興奮不已。這意味引力波科學家不再是紙上談兵，而是在真正觀察宇宙。

成功

其實，在LIGO科學合作組織內部，引力波的發現在2015年底就已經被普遍承認了。去年9月15日，宣佈探測到引力波信號之后，張淵皞和LIGO的科研人員一起，通過郵件和電話會議不斷交流。從一開始大家將信將疑，到最后的鐵證如山，一個“大”時代已經到來。這種興奮震撼卻要保持緘默的複雜心理也是一般人難以體會的。

讓科學家日復一日堅持的動力是不斷探索神奇的宇宙奧秘。宇宙中每一個細微的新發現，對科研人員來，都是巨大的收穫。

按張淵皞的法，從事天體物理學的研究非常奢侈和幸運。之所以是奢侈的，張淵皞給了我們一個數據：由於LIGO數據分析的計算量很大，大機器運轉一天光是電費就達到上萬歐元。有時候設錯參數到后來沒有結果，那麼幾千歐元就打了水漂。

可是，找到了引力波對未來的研究到底意味什麼？

張淵皞，其實還是有很多未知的事物有待人們去進一步發現，找到引力波之后就是另一個故事了，是一個開始而不是結束。這意味可以用一種新的途徑觀察宇宙。

張淵皞告訴《第一財經日報》記者：“第一次探測使大家的注意力都轉移到這個事件上，但是之后隨更多的引力波信號被發現，科學家將逐漸從未來的探測中發現人類所關心的天體物理和宇宙學問題。”

他還，想要以此為基礎繼續尋找中子星發出的連續引力波、超新星爆發生的引力波、研究引力波隨機背景等等，這些都是很有意思的問題。但問題在於，人們不知道這種引力波形成的波形是怎樣的，所以在數據分析上會有難度。

期待

到未來的打算，張淵皞希望把天體物理學當成自己的終身職業。

從中國大學來到美國深造，又在歐洲從事過一研究，這對於張淵皞的人生和個人發展是一個巨大的轉折。他，在美國學習天體物理接觸了學術的最前沿，一方面正視了差距，因為比起凝聚態等在中國發展得較好的物理學科，天體物理在中國還有很長的路要走，另一方面也幫助自己實現了從一個業餘的天文愛好者成為準科研人員的夢想，並接受了專業的學術訓練。

他表示回國做研究是可以考慮的選項之一。在國內，從事引力波研究的有清華大學的團隊。他們利用GPU算法加速引力波數據處理。張淵皞，中國培育了優秀的人才資源，但是大多數研究引力波方面的人都留在了國外，因為相比國內的浮躁和不安全感，在國外科學家的生活狀態似乎更加自在，學術上有利於湧現出新鮮的思想。

天體物理上，“一圖勝萬言，一張光譜勝萬圖”。人類正是在理解宇宙的過程中不斷認識自我。“成為科學家后，你不會再像過去那樣拍到一張銀河就喜不自勝想要發微信朋友圈，或傳到網上與人炫耀，專業性要求我們不應該停留在感官刺激和自我感動上，而是將這種來自宇宙空曠的力量化作研究的動力。”這是一個來自中國的年輕科學家的獨白。