基于最大池化层参数的优化模型在引力波天文学中的应用

针对Gabbard等人发表在《Pyhsical Review Letters》上的文章"Matching Matched Filtering with Deep Networks for Gravitational-Wave Astronomy",提出了一种卷积神经网络优化模型。文章将卷积神经网络应用于引力波信号的识别,研究最大池化层参数对模型分类能力的影响,调整模型中超参数提升引力波信号分类的准确率;将优化后的网络结构与Gabbard的卷积神经网络用于相同的模拟数据集,并在测试集上绘制了接受者操作特性曲线(Receiver Operating Characteristic curve,简称ROC曲线),计算了ROC曲线下的面积;结果证明:相比于未优化的网络,此处的模型在ROC下的面积在数值上提高了0. 025 4~0. 032 6;同时,改变噪音的振幅,将两种方法应用于新的数据集上,结果同样证明,优化后网络效果更好,鲁棒性强。

面向21世纪的引力波天文学

说起波来,人家立即会想到江湖中的涟漪,大海中的波涛;也可能还会想到携载电视、广播信息的电磁波。其实,除水波、电磁波外,还有许多种类的波,引力波就是其中之一。科学家从理论上预言,物体作加速运动时,会引起其周围的引力场起伏。

关于引力波天文学

天文学在本世纪中不断地开拓了新的观测渠道,目前所期待的是引力波的观测。世界各地正努力开发能直接观测引力波的技术, 预计在本世纪内将建立能检验出因星体的引力崩溃而产生的引力波的装置。引力和引力波引力的存在,是由伽利略和牛顿根据天文学的研究而提出的。两个物体之间存在的引力,其大小只与它们的质量和它们之间的距离有关系。引力的这个性质,与其后发展起来的电磁学中的静电力很类似。在电磁学中,对出现的因电流而有磁力和伴随电场的变化而有电力的现象,麦克斯韦方程式作了统一。方程式预言的电磁波,是在上个世纪末被赫兹用实现发现的,进而打开了人类利用电磁波的道路。

数值相对论与引力波天文学

引力波直接探测已经被LIGO成功实现.在这个重大实验发现中,理论模型的重要作用得到充分体现.有效单体数值相对论模型不仅提升了既定硬件的灵敏度,把实验结果的置信度从4.6σ加强到5.1σ,而且还辨认出该引力波源是并合双黑洞.以这次实验结果所给出的双星并合事件率推断,地面引力波探测器接下来还会给出更多的引力波事件.这些引力波实验数据可以被用来进行天文学和基本物理学的研究.随着数据的积累和新脉冲星的加入,脉冲星计时计划的引力波探测精度也越来越高.空间引力波探测计划包括eLISA、太极和天琴等也在积极准备中.可以预期,引力波天文学将逐渐形成.在引力波天文学中,从信号读取到参数反演都离不开理论模型.不做任何解析近似的数值相对论是现实引力波源建模的通用工具.爱因斯坦方程的复杂数学结构和所需的庞大程序构架是数值相对论的两大困难.结合引力波天文学,本文对数值相对论的关键困难、发展历程、研究现状和在引力天文学中的应用等给出比较系统的描述.

从引力波探测到包含引力波的多信使天文学

2015年9月14日,LIGO实现了人类的第一次引力波直接探测.该实验结果在2016年2月公布,并被命名为GW150914.随后引力波探测的进展非常迅速.到目前为止已确认双黑洞并合引力波探测结果 4例,分别包括GW150914,GW151226,GW170104和GW170814.已确认的双中子星并合引力波探测结果 1例,GW170817.另外还有疑似双黑洞并合引力波探测结果 1例LVT151012.受引力波探测的驱动,关于引力波的物理学和天文学研究在2016年以来发展也异常的迅速.本文将对引力波探测和引力波天文学相关的理论物理问题做简要的介绍和展望.特别是引力波天文学能够研究的理论物理问题、引力波数据处理所涉及的理论问题和引力波理论描述的问题,本文做了较为详细和深入的介绍,同时还讲述了著名科学家如爱因斯坦等在相关问题上的研究故事.

月基引力波探测进展与展望

为覆盖月基引力波探测的0.1~5 Hz测量频段,进一步提高引力波探测的灵敏度,月基引力波探测方案被提出。在简要介绍引力波数学描述及特性的基础上,对当前已有的几种主要月基引力波探测方案进行了介绍,重点论述了各方案的探测原理、探测灵敏度以及探测目标;将月基探测方案与地面及空间探测方案进行了对比;讨论分析了月基引力波探测方案实施所需要考虑的关键问题,给出了可能的解决方法;讨论分析了月基引力波探测可能的主要噪声源以及对应的影响量级;对月基引力波探测的未来发展进行了展望。

空间激光干涉引力波探测

为印证广义相对论和开拓引力波天文学窗口,引力波探测是当前国际研究热点.本文围绕空间激光干涉引力波探测,对其科学意义、发展状况、关键技术等进行了回顾.与地面激光干涉引力波探测相比,空间探测的工作频段更低,从104～10Hz,在工作距离为百万公里量级上,预计能探测到双致密星系统、超大质量比双黑洞绕转系统、中等质量比双黑洞绕转系统,以及星系合并引起的超大质量黑洞并合等波源.为此,测距精度须达到皮米的量级,并且保证测距技术有效工作的无拖曳航天技术亦有很高的要求.本文以欧洲的空间激光引力波探测计划为例,主要对上述两项技术进行分析和阐述,并展望了空间引力波探测在我国的发展趋势和前景.

中国空间引力波探测“太极计划”及“太极1号”在轨测试

我国空间引力波探测“太极计划”将打开中低频段(0.1 mHz^1 Hz)的引力波观测窗口,为人类研究宇宙起源与演化、黑洞起源与演化、引力本质、暗能量和暗物质等提供全新的方法和手段。由于空间引力波探测涉及一系列关键技术,太极计划提出了“单星”“双星”和“三星”3步走的发展路线图。目前“单星”计划——“太极1号”发射成功,并圆满完成了第一阶段的在轨测试。本文将简要介绍空间引力波探测的科学价值、国内外背景和关键技术分解,重点对太极计划及其3步走发展规划进行分析,并提出后续工作的一些设想和发展建议。

深度学习在引力波数据处理中的应用初探

截至2018-01-16,LIGO已成功探测引力波事件6次.可以预期,引力波探测事件会越来越多,引力波天文学会很快进入到大数据阶段.深度学习在大数据处理方面近年来得到迅速发展.它在数据处理速度,准确度等方面都表现出极大的优势.深度学习在引力波数据处理中的应用讨论还不多.本文引入此问题,并对其进行初步研究.引力波数据最大的特点是强噪声、弱信号.现行的数据处理方法是利用匹配滤波的方式把引力波信号从强噪声中挖掘出来.同时,匹配滤波方法还可以确定引力波源的性质,定量确定其参数.匹配滤波方法的弱点是计算量巨大.这导致数据处理速度很慢.对于将来的大数据引力波天文学,这更将是一个巨大的隐患.匹配滤波方法的另一个潜在问题是,完备准确的理论波形模板是其工作的前提条件.这个潜在问题的后果是很难找到理论预期之外的引力波信号.深度学习的数据处理方法有可能在这些问题上提供出路.同时,深度学习也会遇到其自身的若干困难和问题.本文将从网络结构、训练数据制备、训练优化、对信号识别的泛化能力、对数据的特征图表示以及对特征数据遮挡的响应等方面来展开讨论.

引力波及引力波的探测

引力波也叫引力辐射,是爱因斯坦广义相对论中的一项重要预言,是基础物理和天文学中一个重要的内容。人类为探索引力波付出了几十年的努力,从早期的棒状探测器到后来的激光干涉引力波探测器,各国学术机构和科学家们不断采用最先进的技术寻找引力波源,探测器的探测范围和灵敏度也不断提高。在探测引力波的过程中,形成了一门引力波天文学的新兴学科,使人们逐渐了解宇宙的奥秘,寻找宇宙中天体的运行规律,而引力波也成为了当今科学界学术重点和热门课题。

恒星级双黑洞自旋研究进展

自2015年以来,人们已经探测到93例恒星级双黑洞并合引力波事件,测量了双黑洞质量、自旋和距离等参数,并获得了其统计分布。不同双黑洞起源机制产生的双黑洞性质分布,特别是自旋分布,会显著不同,其可用来限制双黑洞起源。简单回顾了双星演化和动力学相互作用等双黑洞形成机制及自旋来源;综述了利用自旋限制双黑洞起源的一般方法和常见模型,以及利用LIGO/Virgo引力波数据取得的相关进展,并对未来发展前景进行了展望。

在月球开展多信使天文学的研究进展

随着多信使天文学时代的到来,如今可以使用电磁波、引力波、中微子以及宇宙线的手段对天体进行联合观测,日益增进了对宇宙的认知潜能.月球是一个开展多信使天文学的极佳地点.利用射电宁静的月球背面可以部署大规模甚低频射电阵列;真空、地震强度低的条件有利于建造可长期运行的引力波探测器;低重力的稳定台址为未来大口径光学望远镜的部署提供了可能性,从而为我们打开观测黑暗时代(Dark Ages)的窗口,帮助开展分赫兹(Deci-Hz)引力波探测以及寻找宜居的系外行星与高等地外文明.此外月球同样具备探测超高能宇宙线起源的潜力.这些设想在探测技术更加成熟的未来是很有希望实现的,而月基科学平台的建立对探索宇宙起源至关重要甚至不可或缺.本文主要介绍了开展月球多信使天文学在观测设备、科学目标方面的研究进展.

天体物理起源引力波的宇宙学应用

本文综述了天体物理起源的引力波天文学近些年来的发展现状以及未来空间/地面引力波探测的若干宇宙学相关的科学问题,尤其是引力透镜和引力波汽笛相关科学.本文介绍了致密双星系统(恒星级质量双黑洞、双中子星)、连续引力波源(高速自转中子星、极端质量比双星)、银河系双白矮星前景等波源;引力波的强引力透镜时间延迟、强/弱引力透镜放大率、波动光学以及引力波的衍射效应;引力波的光度距离畸变效应;引力波的电磁对应体观测;引力波的宇宙学应用等方面.

2016年全球科学八大事中国成果在增多

英国《自然》杂志网站近日公布了其评出的2016年产生重大影响的科学事件,除了首次探测到引力波等重大科学发现外,中国在航天、气候变化以及基因技术领域取得的多项重要成果也被《自然》杂志评为具有重大影响的事件,与以往相比呈增多趋势。捕捉引力波——开创天文新时代2016年2月11日,物理学家宣布探测到了时空结构中的波纹——引力波,这一壮举开启了引力波天文学时代。此前,2015年9月美国激光干涉引力波观测台(LIGO)