LIGO: лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория
LIGO, известная как самая точная линейка в мире, способна измерять движения, в более чем 10 000 раз меньшие, чем ширина протона. Благодаря таким точным измерениям LIGO может обнаруживать колебания в пространстве-времени, называемые гравитационными волнами, которые исходят от сталкивающихся космических тел, таких как чёрные дыры.
LIGO открыла новую область гравитационно-волновой астрономии, впервые обнаружив эти волны в 2015 году. Это открытие впоследствии принесло трём основателям обсерватории Нобелевскую премию по физике в 2017 году.
Улучшения в LIGO
Благодаря усовершенствованиям в интерферометрах LIGO теперь обнаруживает в среднем одно слияние чёрных дыр примерно каждые три дня во время текущего научного сеанса. Вместе со своими партнёрами — детектором гравитационных волн Virgo в Италии и KAGRA в Японии — обсерватория обнаружила сотни кандидатов на слияние чёрных дыр, а также несколько слияний, в которых участвовала по крайней мере одна нейтронная звезда.
Исследователи хотят ещё больше расширить возможности LIGO, чтобы они могли обнаруживать более разнообразные слияния чёрных дыр, включая более массивные слияния, которые могут принадлежать к гипотетическому классу промежуточных масс, соединяющему разрыв между чёрными дырами звёздной массы и гораздо более крупными сверхмассивными чёрными дырами, расположенными в центрах галактик.
Новый метод искусственного интеллекта
Чтобы сделать это, исследователи из Калифорнийского технологического института и Института науки Гран-Сассо в Италии объединились с Google DeepMind для разработки нового метода искусственного интеллекта — Deep Loop Shaping, который может лучше подавлять нежелательные шумы в детекторах LIGO.
Для учёных термин «шум» может означать любые фоновые помехи, мешающие сбору данных. Шум может быть буквальным, например, звуковые волны, но в случае с LIGO этот термин часто относится к крошечным колебаниям гигантских зеркал в центре обсерватории. Слишком сильные колебания могут маскировать сигналы гравитационных волн.
Результаты исследования
В журнале Science исследователи показывают, что их новый алгоритм искусственного интеллекта, хотя пока и является лишь доказательством концепции, подавляет движения зеркал LIGO в 30–100 раз сильнее, чем это возможно при использовании только традиционных методов снижения шума.
«Мы уже были в авангарде инноваций, делая самые точные измерения в мире, но с помощью искусственного интеллекта мы можем повысить производительность LIGO для обнаружения более крупных чёрных дыр», — говорит соавтор Рана Адхикари, профессор физики в Калифорнийском технологическом институте. «Эта технология поможет нам не только улучшить LIGO, но и создать детекторы гравитационных волн следующего поколения, ещё более крупные».
Подход также может улучшить технологии, использующие системы управления. «В будущем Deep Loop Shaping может быть применён ко многим другим инженерным задачам, связанным с подавлением вибраций, шумоподавлением и высокодинамичными или нестабильными системами, важными в аэрокосмической отрасли, робототехнике и структурной инженерии», — пишут соавторы исследования Брендан Трейси и Джонас Бухли, инженер и учёный соответственно в Google DeepMind.
Как работает LIGO
Оба объекта LIGO в Луизиане и Вашингтоне имеют форму огромных букв «L», в каждой руке которых находится вакуумная труба с передовой лазерной технологией. В 4-километровых трубах лазеры отражаются туда и обратно с помощью гигантских подвесных зеркал весом 40 килограммов на каждом конце.
Когда гравитационные волны достигают Земли из космоса, они искажают пространство-время таким образом, что длина одного плеча меняется относительно другого на бесконечно малые величины. Лазерная система LIGO фиксирует эти незначительные изменения длины плеч, регистрируя гравитационные волны.
Но для достижения такого уровня точности инженеры LIGO должны обеспечить, чтобы фоновые шумы были под контролем. Это исследование было посвящено нежелательным шумам или колебаниям в зеркалах LIGO, которые возникают, когда зеркала смещаются от желаемого положения на очень малые величины. Хотя оба объекта LIGO расположены относительно далеко от побережья, одним из сильнейших источников этих вибраций являются океанские волны.
«Это как если бы детекторы LIGO сидели на пляже», — объясняет соавтор Кристофер Випф, учёный-исследователь гравитационно-волнового интерферометра в Калифорнийском технологическом институте. «Вода плещется на Земле, и океанские волны создают очень низкочастотные, медленные вибрации, которые сильно беспокоят оба объекта LIGO».
Решение проблемы работает примерно так же, как наушники с шумоподавлением. «Представьте, что вы сидите на пляже с шумоподавляющими наушниками, — объясняет Випф. — Микрофон улавливает звуки океана, а затем контроллер посылает сигнал на ваш динамик, чтобы противодействовать волновому шуму». «Это похоже на то, как мы контролируем океанский и другой сейсмический шум в LIGO».
Однако, как и в случае с шумоподавляющими наушниками, за это приходится платить. «Если вы когда-нибудь слушали эти наушники в тихом месте, вы могли услышать слабое шипение. У микрофона есть собственный внутренний шум. Этот самонаведённый шум — то, от чего мы хотим избавиться в LIGO», — говорит Випф.
Новый алгоритм
Адхикари хотел ещё больше усовершенствовать систему управления LIGO, в частности, уменьшить шум, создаваемый контроллером, который мешает сигналам гравитационных волн в нижней части частотного диапазона обсерватории.
LIGO уже отлично справляется с этой проблемой, используя традиционную систему управления с обратной связью. Контроллер ощущает грохот в зеркалах, вызванный сейсмическим шумом, и затем противодействует этим вибрациям, но таким образом, что вводит новое высокочастотное дрожание в зеркалах — как шипение в наушниках.
Контроллер также ощущает шипение и постоянно реагирует на оба типа возмущений, чтобы зеркала оставались как можно более неподвижными. Такую систему иногда сравнивают с водяным матрасом: попытка успокоить волны на одной частоте приводит к дополнительным колебаниям на другой частоте. Контроллеры могут автоматически обнаруживать возмущения и стабилизировать систему.
Около четырёх лет назад Ян Хармс, бывший доцент Калифорнийского технологического института, который сейчас является профессором в Институте науки Гран-Сассо, обратился к экспертам в Google DeepMind, чтобы узнать, могут ли они помочь разработать метод искусственного интеллекта для лучшего контроля вибраций в зеркалах LIGO.
В конце концов, они использовали технику, называемую подкрепляющим обучением, которая, по сути, научила алгоритм искусственного интеллекта лучше контролировать шум. «Этот метод требует много обучения», — говорит Адхикари. «Мы предоставили обучающие данные, а Google DeepMind провёл симуляции. По сути, они запускали десятки смоделированных LIGO параллельно».
Ричард Мюррей, профессор Калифорнийского технологического института, объясняет, что без искусственного интеллекта учёные и инженеры математически моделируют систему, которую они хотят контролировать, в явном виде. «Но с помощью искусственного интеллекта, если вы обучите его на модели достаточной детализации, он сможет использовать особенности системы, которые вы не учли бы, используя классические методы», — говорит он.