GWPY：发现引力波的机构使用的Python套件

文章为《数位时代》获授权转载自编程派

美国科学家11日宣布，他们去年9月首次探测到重力波。这一发现印证了物理学大师爱因斯坦100年前的预言。宣布这一发现的，是镭射干涉重力波天文台（LIGO）的负责人。

这个机构诞生于上世纪90年代，进行重力波观测已经有近30年。那幺观测到的重力波资料的量应该很大，科学家如何对这些资料进行分析？有没有用到Python程式设计语言？

答案是肯定的。笔者在Github上发现了一个专门用于分析重力波资料的Python套件：GWPY。据维护者介绍，GWPY的程式码来自LIGO和另一个名叫Virgo的机构，维护者将这两个机构科学家的Python程式码整理，最终的产品就是GWPY这个使用者友好的Python套件。

在具体介绍GWPY之前，先给和笔者一样不了解的人简单科普一下重力波和LIGO的相关知识。

上图是两个黑洞所产生的重力波的3-D模拟图（NASA）。

首先，什幺是重力波？在物理学上，重力波是爱因斯坦广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动，如同石头丢进水里产生的波纹一样，重力波被视为宇宙中的“时空涟漪”。

通常重力波的产生非常困难，地球围绕太阳以每秒30千米的速度前进，发出的重力波功率仅为200瓦，还不如家用电饭煲功率大。宇宙中大品质天体的加速、碰撞和合併等事件才可以形成强大的重力波，但能产生这种较强重力波的波源距离地球都十分遥远，传播到地球时变得非常微弱。

下面分享两个优秀的影片，很好地解释了重力波及背后的原理。第一个来自LIGO，第二个则是比较通俗的漫画式讲解。

镭射干涉重力波观测站（ Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）LIGO是加州理工学院（Caltech）和麻省理工学院（MIT）的合作实验室，现在也有其他的大学参与。实验资金来源于美国国家科学基金会。LIGO是用来寻找宇宙中的重力波，从而可以验证黑洞的存在和检验广义相对论。

LIGO主要有两个观测点，位于路易斯安那Livingston Parish的LIGO Livingston观测点，和华盛顿 Hanford的LIGO Hanford观测点。除此之外，在加州Passadena 的Caltech校园中还有LIGO 40m Prototype 。

影片：LIGO是如何探测重力波的？

接下来是本文的重头戏。我们一起来学习如何GWPY分析重力波资料。下面的介绍及示例均来自GWPY的官方文件。

很简单，pip install gwpy就可以完成安装。

不过安装的过程可能会比较长，因为gwpy使用的依赖套件比较多，套件括numpy、 scipy、 cycler、matplotlib、astropy等。

GWPY是一个物件导向程式设计的Python套件，也就是说，资料物件是这个套件的核心关注点。每一个资料物件都体现为一个类实例，套件含了其属性和套件含的资料。

如果想创建一个新的类实例，建议使用标準的构建器（constructor）。举个例子，我们可以使用一个资料阵列，生成一个TimeSeries物件：

我们知道，将重力波探测器收集的资料视觉化，对于理解重力波的特性、研究重力波信号来说非常有説明。gwpy.plotter模组中提供了一些plot类，可以直观地展示相应的资料类型。

文章: 2016-02-17 10:17:46-123.120.35.140

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