《作假的天体物理学家

一个凌晨2:40，我的手机把我吵醒了。在2010年9月的那个晚上，我自愿回复警报系统自动发送的短信。

当时，作为一名研究生，我(约拿)已经帮助两个引力波天文台LIGO(激光干涉仪引力波天文台)和Virgo建立了第一个快速响应警报软件管道。该系统的设计目的是在数据到达时搜索天体物理信号，提醒人们检查信号是否有效，并在需要时与世界各地的天文学家分享信息。每一个警报都带有一个积极探测的可能性——人类第一次直接观测到穿越时空结构的波，这是爱因斯坦在1916年预言的。

我下了床，睡眼惺忪地走到我们公寓里的小工作站。我当时并不知道，但警报是职业和情感大起大落的开始。我登录了我们的事件数据库，开始浏览地块。我没睡多久。这些阴谋显示了异常响亮的信号。更引人注目的是，波形显示出了我们都希望看到的“啁啾”模式，这是一对黑洞旋转在一起，然后合并的引力波发射的特征。这种啁啾对我来说是模拟中很熟悉的，但没人见过这种啁啾自然出现。我插上耳机，参加了一个电话会议。

我们九个人分散在美国和意大利，开始讨论结果，为一些好得令人难以置信的事情而努力。我们的心跳加速。我们需要迅速做出决定。如果这个戏剧性的信号是某种错误，那么就没有必要再进一步了。经过大约30分钟的讨论，我们一致认为这个信号似乎是正确的，于是我们按下了一个按钮，促使一组机器人望远镜将目光转向源位置。我们的日志记录，通常是干巴巴的，记录了我们那天晚上的想法:“激动人心的!!!!!非常强烈的重大事件……”

爱因斯坦关于引力波存在的预言被理论物理学家争论了几十年。直到20世纪60年代它才最终被接受。半个世纪过去了，它们仍然没有被直接探测到。今晚似乎一切都可能改变，而我将成为发现的一部分。

或者不是。

D你还记得上次的消防演习吗?当你问自己，如果这是真的呢?这就是那个九月的夜晚我们脑海中闪过的想法。

大约一年前，也就是2009年秋天，LIGO和Virgo已经同意建立一种机制，通过这种机制，我们自己的数据可以被伪造。我们组建了一个小团队，他们有权秘密地在我们的引力波探测器上添加一个模拟信号，然后对我们其他人隐瞒这个事实。

乍一看，这似乎是一种不必要的自虐行为。要测量那些扭曲时空的涟漪，其直径还不到一个质子的直径，已经够困难了。除此之外，我们为什么要欺骗自己呢?

要理解这个问题的答案，请想想作为一名即将成就伟大事业的科学家是什么感觉，在一项新发现中扮演重要角色可能是最令人兴奋的事情之一。有机会去了解关于宇宙的新东西，去观察以前没有人见过的东西，这是一个令人难以置信的动力。这是人们选择科学职业的首要原因之一，也是让我们年复一年地上夜班和周末工作的原因。一项重大发现也改变了研究人员和机构的职业和声誉。

问题是，这些高风险的内容并不总是与发现和确认过程相结合，而发现和确认过程通常是详细的、技术性的、乏味的和微妙的。在一个现代的、复杂的实验中，将新科学与仪器、人工制品或日常事件区分开来可能远非显而易见。我们的合作决定，在潜在发现的时刻——当情绪高涨、声誉岌岌可危的时候——不是确定确认潜在重大科学发现的程序的时候。这个时间应该早些到来，在演习期间。

LIGO/Virgo的基本原理很简单:我们被告知，在2010年的观测运行中，将向数据中添加少量(可能为零)模拟引力波信号(硬件注入)。每个实验都是通过监测两个遥远质量之间的距离来寻找引力波的。如果有波穿过，这些距离就会缩小或扩大。硬件注入模拟了分离距离的微小变化，用闪烁的磁场轻轻推动一个物体，使其摆动十亿分之十亿分之一米。在主数据通道中产生的信号看起来像是来自黑洞或中子星合并对的预期信号。

在科学上，什么时候相信是一个深刻而古老的问题。

我们不会被提前警告或事后告知——至少在一段时间内不会。只有一小群发誓保密的“盲注射者”知道注射的时间和性质。这个团队包括大约五个人，他们拥有执行注射的技术知识。甚至很多高层管理人员也会被蒙在鼓里。盲目的注射者会在禁区数据通道中留下证据，而我们其他人则被告知，以我们的名誉，不能看这些证据。

我们这些非盲注入组的人只有一个选择:把数据当成真实的东西来对待。这真的扰乱了我们的思维。在表面上，这是我们花了20多年试图找到的信号。如果信号是真实的，我们的工作就是尽快分析它，竭尽全力。

但我们也知道这很有可能是赝品。硬件注入团队可能会偷偷地嘲笑我们的热情。想象一下，竞拍一幅价值1亿美元的画作，却一直不确定它是否是赝品。我们像以往一样努力工作，每天都在兴奋和疲惫之间摇摆不定。这些努力真的会有回报吗，还是只是个大玩笑?

我们给这次事件起了个绰号叫“大狗”，因为我们(后来发现是错误的)把它定位在了大犬星座的方向(也因为当时《哈利·波特》里的小天狼星布莱克非常受欢迎)。在接下来的6个月里，我们仔细研究数据，并进行了一系列硬件检查。我们开发了新的分析工具，试图弄清楚这一事件是由于仪器还是其他地面噪音造成的。数据通过了所有测试。

我们写了一篇发现论文;我们中的一个(艾伦)是数据分析小组的主席和论文的编辑。我们为论文标题中的文字感到苦恼:第一次发现?第一次观察吗?发现呢?的证据吗?如果已经有了1993年的诺贝尔奖，我们真的能称之为“第一次发现”吗?我们的合作范围很大，态度的范围也很广。有些人非常谨慎，只声称“证据”，而不是“侦查”。一些人坚持要等到我们看到更多的活动后再发布。 Others wanted to be bolder; they felt that we had enough confidence to avoid being ambiguous or wishy-washy about our claim.

数百名同事参与了讨论;每一个字都有无休止的讨论和争论。让700名持怀疑态度的科学家就一篇论文的所有观点达成一致，并在必要的信心水平上达成一致，是一项艰巨的任务，涉及复杂的社会学。(事实上，社会学家哈里·柯林斯(harry collins)写了两本书，讲述了引力波学界在接受或拒绝各种关于引力波探测的说法方面的斗争。)最后，我们选定了标题“直接探测到黑洞双星合并引力波的证据”。你几乎可以在标题中听到妥协。

2011年3月，我们聚集在加州阿卡迪亚附近的一家酒店，审阅所有证据和论文草稿，并投票决定是否将其提交给一家杂志。房间里有300多人，还有大约100多人通过互联网联系在一起。我们带了很多香槟。我们讨论了。我们投票通过了这份文件草案。演讲是为了庆祝我们走过的漫长道路，从建造令人难以置信的探测器，到找到一个信号，到最终完成要求探测的整个过程。我们打开了香槟。

接着，美国激光干涉引力波天文台(LIGO Laboratory)的负责人杰伊·马克思(Jay Marx)上台了。六个多月来，他一直在口袋里装着一个破破烂烂的信封。他正要打开信封，告诉我们整件事是不是一场骗局。

我如果你下班回家后对别人说:“今天我看到一群鹅飞过天空”，那就不会有人怀疑你了。但如果你说，“今天，我看到龙在天空中飞翔。”你的家人会接受你的故事吗?你需要多少证据?如果你真的有见过龙，但仅此一次?

我们正准备宣布一个基于单个事件的引力波探测结果。我们不知道这种波会有多罕见——它们极有可能如此罕见，以至于在我们的有生之年不会发生下一次事件。有多少证据才足够?物理学中一个常见的指导原则是，一项新发现需要“5 σ”水平的证据，这意味着一个事件不太可能是噪声波动，置信度超过99.9999%。我们计算出，我们的候选事件比我们在数千年的LIGO和室女座观测中可能遇到的最响、最罕见的噪声波动“更大”。

到目前为止还好。但是，量化信号不是噪声的证据与量化信号是真实信号的信心是不一样的。事实上，由于没有人直接看到过引力波，我们没有真正的方法来表达我们对它是真实存在的信心。也许引力波并不存在，也没有天体物理信号可供我们探测。如果你相信，你会拒绝我们的信号，因为噪音或故障，无论多么不可能。

在科学上，什么时候相信是一个深刻而古老的问题。没有普遍的答案，评估任何潜在发现的价值总是要考虑相关人员的先验信仰。这是没有办法的。

那么我们之前的信念是什么?1975年，射电天文学家拉塞尔·赫尔斯(Russell Hulse)和约瑟夫·泰勒(Joseph Taylor)(他们的研究成果获得了1993年诺贝尔物理学奖)的观测，为引力波的存在提供了明确而令人信服的证据。他们观察到一对紧凑的中子星相互环绕，并失去轨道能量。爱因斯坦的理论预测引力波会带走轨道能量，重现赫尔斯和泰勒看到的景象。因此，射电天文学的证据使引力波似乎是存在的。

我们不太确定我们是否有测量它们所需的设备灵敏度。在2010年，LIGO和Virgo探测器是“探路者”:我们猜测它们的灵敏度不足以探测来自合并双星的引力波，但它们将为我们设计下一代先进探测器提供宝贵的信息。我们还知道，天文台和它们的地面环境都有各种各样的不当行为，可能会产生类似地外引力波信号的东西，尽管这种情况非常罕见。我们的搜索管道足够复杂，它们可能也有罕见的故障模式。

诺贝尔奖可能正等着我们呢。

总的来说，我们之前的信念是复杂的。这种混合倾向于产生两种有问题的方法来解释新观察(可能是假的)事件:试着扼杀它(如果它不能被证明是假的，那它一定是真的)，试着提升它(如果它真的是新的东西，我们不能确定我们在寻找什么，所以让我们睁大眼睛，寻找任何闻起来真实的东西)。这两种方法都带有危险的偏见，因为它们都选择寻找一种证据而忽视另一种。我们真正的目标是尽量减少偏见，避免故意破坏或提升任何东西。

这就是假信号注入的天才之处:无论某位科学家先前的信念是什么，这都给了他或她怀疑的理由。如果一位科学家认为，目前这一代的仪器根本不能胜任这项工作，那么他就必须考虑到这种可能性。一个科学家试图提高一个信号，因为真正的检测的好处，将不得不抑制他或她的热情，以避免作出错误的声明。这种假注射的“恶魔”迫使我们保持开放的心态，运用怀疑主义和理性，并从表面上检验证据。

所以2011年，当杰伊·马克思在阿卡迪亚打开他的信封，告诉我们所有人，“大狗”是一个大骗局，我们刚刚成功地完成了引力波观测史上的第一次消防演习，我们仍然把它当作一个庆祝的时刻。我们举起了香槟，为我们虚假的成功干杯。这是一种奇怪而空虚的感觉。但显然，“大狗”激发了一系列工作，包括在仅利用引力波信号测量源物体(中子星或黑洞)质量方面取得了重大进展。最重要的是，我们的合作首次达成了一致，我们将使用什么样的标准，以及我们如何最小化我们的偏见。这是第一次，我们认为我们有足够的证据进行侦查。

很难理解这有多重要。过去，一些引力波实验受到了夸大声明的影响，而LIGO/Virgo合作的规模已经扩大到难以就标准达成一致的地步。2011年之前并不清楚任何证据的水平就足够了。

现在，终于——一个虚假的信号让我们觉得准备好了迎接真正的成功。

我n 2015年9月，在Big Dog发布近5年后，我们的低延迟管道警报再次关闭。这一次，德国汉诺威阿尔伯特·爱因斯坦研究所的研究人员首先注意到了这个问题，他们发送了一封电子邮件，在整个合作的主题上写着“非常有趣的事件”。我记得我打开电脑，发现我的收件箱快挤爆了。我放弃了电子邮件，给同事打了电话。他指给我看一个用我帮忙编写的计算机代码制作的结果页面，上面显示了一个明显的啁啾信号。我发冷。我闭上眼睛，又看了一眼。我站起来，在房间里跺脚。“怎么回事?我妻子问我。 “Well, I’m not sure,” I said. “But I think we found a gravitational wave.”

从2010年到2015年，汉福德天文台和利文斯顿天文台的初始LIGO探测器都被拆除，取而代之的是先进的LIGO探测器。这些新的探测器包括一系列的升级，所有这些都是为了提高仪器的灵敏度，使探测更有可能。这些改进包括更大的镜子、更强大的激光器和更有效的地震隔离主动反馈回路。他们不再用金属丝来悬挂测试物体，而是用耐热振动的细玻璃丝来悬挂。这一改进旨在将LIGO的覆盖范围扩大10倍，从而将可搜索罕见事件的空间体积增加1000倍。

我们知道这很有可能是赝品。

2015年8月下旬，我们开始了工程运行(旨在测试我们的仪器，而不是采集数据)，并计划于9月18日正式开始我们的第一次观测运行。在工程运行期间，不会有盲注。到9月12日，探测器已经工作顺利，灵敏度很高;所以我们让他们不受干扰地观察天空。

件好事。2015年9月14日凌晨，我们的探测器和相关的搜索管道软件发现了一个与13亿光年之外的双黑洞合并一致的事件。它的声音很大，显然与探测器或地面的噪音不一致，其可信度优于99.9999%。哇……那么快就被打开，那么大声;大自然真的会如此仁慈吗?我们将其命名为GW150914。

但是——这可能是瞎注射吗，即使不应该有瞎注射?几个小时后，我们中的许多人(包括艾伦)在电视上讨论了这个问题。Mike Landry, 2010年“盲注团队”的成员之一，也在场，他说没有盲注团队召集在工程运行中，这也不是盲注。如果这个发现是在几天后，也就是在我们的观察运行期间发现的，那么盲注射小组可能会很活跃，而他可能会发誓保守秘密。但在当时，盲目注射根本不是一种选择。尽管如此，我们还是对他表示怀疑。我们要求查看秘密的盲注入数据通道。他们的回答是:“请便。”

我们看了看，什么也没发现。负责硬件注入的物理学家Jeff Kissel在我们的电子日志中写道:“在G184098候选事件期间没有瞬时注入。”这是他写的最短的电子日志。后来，它获得了年度最佳电子日志条目奖。

好吧。但会不会是流氓注射吗?也许一些知识渊博但心怀不满的同事或前雇员怀恨在心，知道错误的注射真的会给他或她的前同事带来痛苦。这不是那么容易做到的，也不是那么容易排除的。流氓们必须把很多事情做好。信号波形必须精确无误;我们两个探测器(相隔近2000英里)中的注入必须在时间、振幅和相位上完全一致;所有的数据通道，不管是秘密的还是其他的，都必须被消毒，以不留痕迹。我们检查了几十个数据通道。没有发现任何与硬件注入相一致的东西。

我们让自己得出了我们所希望的结论:这不是演习。于是分析开始了。我们的起点吗?2010检测事件。我们重新使用了那一年的检测清单，并针对新数据调整了旧的检测委员会框架。我们应用了我们学过的参数估计(我们测量质量、自旋和二元合并的其他特征的能力)。

我们记得，在2015年发现这颗行星的头几天，人们的平静程度令人惊讶。在这个压力巨大的时代，我们的同事们按部就班，努力工作，取得了优异的成绩。这是2010年消防演习的最大回报:我们有处理高风险数据的经验，同时信任过程、证据和我们的同事。如果这是我们第一次遇到“真实”的信号，怀疑、担心、焦虑和哲学争论可能会让我们无法肯定地说:“这是真实的。”通过构建我们发现了虚假信号的证据，我们教会了自己如何找到一个真实的信号。这次消防演习教会了我们如何利用一系列证据去相信一些不寻常的事情。

然而，有趣的是，“我们什么时候有足够的证据?”又站了起来。一些研究人员认为，在我们看到第二个黑洞合并之前，我们不应该声称探测到了!如果我们从来没有看到第二个，我们怎么能知道第一个不是偶然的呢?这个讨论是有争议的，而且与先进的探测器刚刚开始运行有关。一些人认为，我们需要在新的探测器上获得更多的经验，以理解噪音和探测器的怪癖。其他人指出，如果我们在短短几天的观测中获得了一个真正的信号，那么这个频率可能足够高，我们应该可以看到更多。幸运的是，大自然给了我们喘息的机会。10月12日，在第一次发现不到一个月后，第二个可能的探测到了。这对搭档让几乎所有人相信我们有足够的证据发表。更妙的是，在12月下旬，又有一项无可否认的明确探测，没有留下任何怀疑的空间。

在发现GW150914后的五个月，已经写了十几篇关于它的论文(见papers.ligo.org)，其主要论文接受发表物理评论快报2016年2月，我们在NSF总部的新闻发布会上公开宣布了这一发现。这一次，庆祝活动不再空洞。

Jonah Kanner是加州理工学院LIGO实验室的研究科学家;他有10年研究引力波数据的经验。

艾伦·温斯坦是加州理工学院的物理学教授，也是加州理工学院LIGO实验室天体物理数据分析小组的负责人。