中國科學(xué)院上海天文臺和中國科學(xué)院大學(xué)等的科研人員在空間引力波探測信號識別領(lǐng)域取得進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)出基于深度學(xué)習(xí)的創(chuàng)新方法，可高效探測和分析空間引力波探測器的極端質(zhì)量比旋近（EMRIs）信號，將為未來空間引力波探測與數(shù)據(jù)分析提供參考。相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《中國科學(xué)：物理、力學(xué)和天文學(xué)》上。

自2015年首次探測到引力波以來，地面引力波探測器已探測到超過100例引力波事件。這些地面探測器的探測頻段在幾十到幾百赫茲之間。為探索低頻引力波源，科學(xué)界正積極籌備空間引力波探測計(jì)劃。

空間引力波探測的重要目標(biāo)之一是極端質(zhì)量比旋近系統(tǒng)。這類系統(tǒng)由一顆恒星級黑洞圍繞中心的超大質(zhì)量黑洞旋轉(zhuǎn)而成。研究EMRIs系統(tǒng)，能夠幫助科學(xué)家精確檢驗(yàn)廣義相對論，繪制超大質(zhì)量黑洞周圍的時(shí)空圖，驗(yàn)證“無毛定理”，有望揭示超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量分布及其與宿主星系的共同演化歷史。

而EMRI信號的探測和分析面臨挑戰(zhàn)。這類信號可持續(xù)數(shù)年之久，且特征復(fù)雜、強(qiáng)度微弱，需要大量的計(jì)算資源來生成高精度波形模板。傳統(tǒng)的匹配濾波和貝葉斯參數(shù)估計(jì)方法需要海量的EMRI波形模板來覆蓋多維參數(shù)空間且計(jì)算成本高昂。更棘手的是，EMRIs信號的精確建模困難，而傳統(tǒng)方法依賴于模板的準(zhǔn)確性。

針對上述挑戰(zhàn)，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了基于深度學(xué)習(xí)的完整解決方案。在時(shí)頻域進(jìn)行信號分析時(shí)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的二層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)展現(xiàn)出優(yōu)異的探測性能。對信噪比50至100范圍內(nèi)的信號，在1%的誤報(bào)率下可實(shí)現(xiàn)96.9%的真實(shí)探測率。為驗(yàn)證這一方法的普適性，科研人員進(jìn)行模板依賴性測試。結(jié)果表明，即使注入與訓(xùn)練數(shù)據(jù)不同模型生成的信號，該方法仍可以保持穩(wěn)定的探測性能。這表明，該方法對理論模型的依賴程度較低，并提升了實(shí)際探測的應(yīng)用價(jià)值。

進(jìn)一步，在探測到信號后，該團(tuán)隊(duì)采用UNet網(wǎng)絡(luò)在噪聲中提取EMRI信號，并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)的精確估計(jì)。超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量估計(jì)準(zhǔn)確率達(dá)99%，自旋參數(shù)估計(jì)準(zhǔn)確率達(dá)92%。同時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以準(zhǔn)確預(yù)測軌道初始偏心率等參數(shù)。這為未來的引力波數(shù)據(jù)分析提供了新思路。

論文鏈接

EMRI示意圖（左）；一年的空間引力波探測數(shù)據(jù)和EMRI波形（右）