兩份獨立的論文化解了科學家對LIGO發現引力波的疑慮，當科學家首次發佈發現引力波的歷史性消息之後，質疑聲也接踵而至。激光干涉引力波天文臺(LIGO)對時空結構中微弱波動的探測為宇宙打開了一個新的窗口。第二年哥本哈根尼爾斯玻爾研究所(Niels Bohr Institute)的物理學家發表了一篇論文，對LIGO分析提出了質疑。他們把批評的焦點集中在該實驗著名的第一個信號上，一條彎彎曲曲的線代表了超過10億光年之外巨大黑洞的碰撞。就在LIGO探測到更多引力波信號並獲得諾貝爾獎時，由教授安德魯·傑克遜（Andrew Jackson）教授領導的哥本哈根研究員聲稱在LIGO雙探測器所探測到的“噪聲”中發現了無法解釋的相關性。
博科園-科學科普：探測器是L形儀器，當引力波經過時，它的雙臂交替地伸展和擠壓。探測器分別位於路易斯安那州的利文斯頓和華盛頓州的漢福德，以確保只有來自太空的引力波才能讓這兩個儀器發生擺動，從而產生指示信號。但是根據傑克遜和團隊所說：噪音數據中的相關性表明LIGO探測到的可能不是引力波，而是一些地面擾動，儀器或LIGO科學家的分析至少有一方存在問題。因為研究結果令人擔憂，LIGO的科學家們再次檢查了他們的研究，去年一組專家訪問了尼爾斯波爾研究所(Niels Bohr Institute)，深入研究傑克遜及其同事的算法細節。兩組研究人員開始獨立分析LIGO數據和哥本哈根小組的代碼。
對LIGO數據的新分析能夠清晰地從背景噪聲中提取引力波信號。圖片：Nick Kempton for Quanta Magazine
現在兩個小組都完成了研究，新論文從不同方面解釋了導致傑克遜和合著者提出問題的原因。但兩項分析都明確地指出這一看法是錯誤的：LIGO噪音中沒有無法解釋的相關性。其中一篇論文的作者、圓周理論物理研究所(Perimeter Institute for theory Physics)的物理學家馬丁·格林(Martin Green)和約翰·莫法特(John Moffat)說：我們認為沒有理由對引力波的發現心存疑慮。莫法特說：對科學來說，獨立於團隊對數據和結果進行分析至關重要，尤其是檢驗物理學史上的歷史性事件。
普林斯頓大學(Princeton University)引力波專家弗朗斯·比勒陀利亞(Frans Pretorius)沒有參與最近的任何一項研究，一年多來，他和大多數物理學家認為LIGO的分析和發現是合理的，並表示：儘管如此，重要的是有一篇論文能全面分析問題，而不是反反覆覆炒作。由1200人組成的LIGO科學合作組織發言人、麻省理工學院的戴維·舒梅克(David Shoemaker)說：新發現證實了該團隊內部的爭論。舒梅克說：看到這兩項非合作的分析結果，再次證實了引力波的探測是真實的，也幫助我們發現傑克遜等人的論文存在問題，這篇論文於2018年9月發表在《物理快報B》(Physics Letters B)上。
位於華盛頓漢福德(左)和路易斯安那利文斯頓的LIGO引力波探測器。圖片：LIGO Lab/Caltech/MIT
傑克遜還駁斥了德國漢諾威馬克斯普朗克引力物理研究所(Max Planck Institute for引力物理)的亞歷克斯尼爾森(Alex Nielsen)和三位合著者的第二組發現。尼爾森的論文2017年11月發表《arxiv》上，目前正在接受《宇宙學與天體粒子物理學》(Journal of Cosmology and Astroparticle Physics)的審查。傑克遜寫道：我們正在對這篇最新的論文做出回應，我不會再次解釋他們在哪裡犯了錯誤。莫法特說：哥本哈根小組拒絕承認他們存有錯誤， 事實上，他們的確錯了。 這個問題歸結於一系列的失誤：哥本哈根物理學家犯了幾個錯誤，LIGO犯了一個錯誤。
為了弄清楚嘈雜背景中傳來的微弱擺動引力波，LIGO算法不斷將雙探測器的臂長（當受到傳來的引力波或背景噪聲攪動時振盪）與“模板波形”（可能由愛因斯坦廣義相對論計算的引力波信號）進行比較。當漢福德檢測到的信號與利文斯頓不久前或之後檢測到符合模板波形的信號非常接近時，警報就會在全球範圍內傳播。然後科學家們仔細地確定與兩個探測器中的信號最接近的“最合適”引力波形式。每當從信號中減去這個波形時，就會留下“噪聲殘差”——探測器中剩餘的小波動應該與之不相關，因為儀器相距大約2000英里。
哥本哈根小組在其2017年的論文中聲稱，發現利文斯頓的噪音在7毫秒後與漢福德的噪音相匹配。他們將此解釋為：LIGO要麼沒有將其信號與噪聲完全分離，要麼噪聲的相關性恰好在正確時刻引發了整個信號。然而格林和莫法特在哥本哈根團隊的數據處理中發現了一系列錯誤，他們說這些錯誤穿插在一起導致了實際上並不存在的相關性。為了尋找殘差之間的相關性，傑克遜和同事們選取了20毫秒的利文斯頓數據片段，並將20毫秒的漢福德數據片段移過殘差，當峰值與峰值重疊，波谷與波谷重疊時，記錄下相關性。發現當數據偏移7毫秒時，就會產生很強的相關性。格林和莫法特注意到，當他們把傑克遜和同事的代碼顛倒過來，修復漢福德噪聲數據並將利文斯頓的數據片段移過漢福德噪聲數據時，這種7毫秒偏移的相關性消失了。
數字信號處理專家格林說：這是一個危險信號，因為沒有穩健的計算方法。相反，數據段的長度及其不對稱處理“被調諧，以獲得時間偏移的相關信號。在另一項獨立計算中，傑克遜和團隊似乎在兩個探測器的噪音記錄中發現了非隨機、相關的波峰和波谷模式。但格林和莫法特推斷，哥本哈根的物理學家們並沒有“開啟”這兩組噪音數據。窗函數是一種標準技術，它能在一段數據的開始和結束時將信號平滑地撥到零，然後再進行一種稱為“傅立葉變換”的數學運算，以便與其他數據進行比較。傅里葉變換把數據段看作是循環往復。如果段沒有窗函數，將數據與另一個數據集進行比較時，端點處稱為“邊界失真”的突變可能看起來與相關性相似。
圖片：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)
當格林和莫法特打開這兩組噪音數據的窗口時，相關性就消失了。格林說：我們擔心哥本哈根小組所做的計算是為了得到他們想要的結果。尼爾森和他的合著者——亞歷山大·尼茨，科林·卡帕諾和鄧肯·布朗也得出結論：研究者聲稱噪聲的相關性並不是真實。這個錯誤的部分原因要歸於2016年LIGO在《物理評論快報》（alReviewLetters）發表論文的第一個圖中提供了錯誤數據。雪城大學(Syracuse University)的引力波天文學家布朗說：圖1是人們紋在胳膊上的東西。布朗是LIGO的前成員，2018年年離開了合作項目，對數據進行獨立分析。圖頂部顯示了並排的彎曲線條，代表了在利文斯頓和漢福德探測到的引力波信號。
下面是與信號密切匹配的模板波形。圖底部，從每個數據集中減去模板波形後，鋸齒狀的線表示兩個檢測器中的“噪聲殘差”。在2017年年訪問哥本哈根期間，他詳細研究了傑克遜的代碼，由於普通的原因，在7毫秒偏移時檢測殘差中的重疊：圖1所示的模板波形不是LIGO在嚴格分析中實際使用的“最佳擬合”波形。布朗等人解釋說：這幅圖僅有說明作用。數字製作者用眼睛將模板波形與孿生信號互相匹配，而不是使用經過仔細計算確定的最佳匹配信號。減去波形中瑕疵意味著有一些引力波信號在兩個數據集沒有減去，並最終與圖1所示的噪音混合在一起——產生讓人爭論的相關性。布朗說：發現的是信號波形的‘不完美減法’。當減去一個比PRL論文中使用的更好波形時，沒有發現統計上顯著的殘差。
LIGO迄今為止探測到10次黑洞碰撞的可視化圖，以及它們產生的引力波信號。圖片：Teresita Ramirez, Geoffrey Lovelace, SXS Collaboration, and LIGO Virgo Collaboration
如果LIGO出現了什麼錯誤，那就是它並沒有清楚地表明，數字的某些部分具有說明性，而檢測聲明也不是基於圖1。到底是LIGO草率的數據，還是哥本哈根小組錯誤的計算？布朗說：事實上，我認為兩者都有。如果傑克遜和同事們能夠像格林和莫法特的研究結果所顯示的那樣，調整參數，以在7毫秒的偏移時間內建立相關性，那麼計算結果就會出現偏差。然後在相同的偏移量下，偏置算法在噪聲中選取了不完全相減的信號位，強化了錯誤。然而傑克遜堅持認為，這種無法解釋的相關性真實存在，他正與同事計劃反駁最近的研究。
傑克遜仍然認為LIGO發出的第一個、最強大的引力波信號(以及其他引力波信號)可能完全是另外一回事。但這兩篇新論文都對LIGO的原始數據進行了回顧和重新分析，並利用與LIGO不同的算法重新發現了其中的引力波信號。LIGO發言人舒梅克說：我認為，對引力波數據進行獨立分析是一件非常重要和有價值的事情，我們很高興有更多的人參與其中。傑克遜等人的研究激發了一些額外的獨立研究，這可以被視為一個積極的結果，但我個人認為，它帶來了完全不必要的‘戲劇’成本。
博科園-科學科普｜參考期刊文獻:《物理評論快報》
文：Natalie Wolchover/Quanta magazine/Quanta Newsletter
DOI：doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102
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