Sztuczna inteligencja wkracza do świata astrofizyki: Nowy algorytm wyostrza słuch Kosmicznego Obserwatorium LIGO

Obserwatorium LIGO, dzięki nowatorskiej metodzie wykorzystującej sztuczną inteligencję, zyskało niespotykaną dotąd precyzję w detekcji fal grawitacyjnych. Zespół naukowców opracował algorytm Deep Loop Shaping, który radykalnie redukuje szumy i stabilizuje system pomiarowy obserwatorium, umożliwiając astronomom „słuchanie” wszechświata z niespotykaną dotąd czułością. Wyniki ich pracy zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie „Science”.

Fale grawitacyjne, te subtelne zmarszczki w czasoprzestrzeni, generowane są przez kataklizmiczne zdarzenia kosmiczne, takie jak zderzenia gwiazd neutronowych czy łączenie się czarnych dziur. Ich analiza dostarcza bezcennych informacji o dynamice wszechświata i pozwala testować fundamentalne teorie fizyki i kosmologii. LIGO, dzięki swojej unikalnej konstrukcji, jest w stanie wychwytywać te fale z niezwykłą dokładnością.

Precyzja w świecie zakłóceń

Niezwykła czułość LIGO jest jednocześnie jego słabością. Nawet najdrobniejsze wibracje, takie jak fale uderzające o wybrzeże odległe o setki kilometrów, mogą zakłócić pomiary. Aby temu zapobiec, LIGO wykorzystuje tysiące systemów kontroli, które utrzymują każdy element w idealnym ustawieniu i na bieżąco kompensują zakłócenia. Algorytm Deep Loop Shaping redukuje poziom szumów w najbardziej niestabilnych pętlach sprzężenia zwrotnego od 30 do 100 razy, znacząco poprawiając stabilność luster interferometru.

„Studium wszechświata za pomocą grawitacji, zamiast światła, jest jak słuchanie zamiast patrzenia. Ta praca pozwala nam dostroić się do basu” – komentuje Rana Adhikari, profesor fizyki z Caltech.

Sztuczna inteligencja wyprzedza tradycyjne metody

Tradycyjne metody kontroli, oparte na liniowych algorytmach, okazały się niewystarczające, aby sprostać wymaganiom LIGO. Deep Loop Shaping wykorzystuje uczenie się ze wzmocnieniem, aby minimalizować wzmocnienie szumów w paśmie obserwacyjnym fal grawitacyjnych. W praktyce oznacza to, że algorytm uczy się stabilizować lustra bez generowania dodatkowych zakłóceń. Kontrolery oparte o Deep Loop Shaping obniżają poziom szumów o ponad dziesięciokrotnie, osiągając poziom wibracji spowodowanych fluktuacjami kwantowymi ciśnienia promieniowania światła odbijającego się od luster.

Skuteczność Deep Loop Shaping została potwierdzona zarówno w symulacjach, jak i w rzeczywistych warunkach pracy LIGO w Livingston, Luizjana. Algorytm nie tylko znacząco redukuje szumy, ale także utrzymuje stabilność systemu obserwatorium przez dłuższy czas.

Przyszłość astrofizyki w rękach algorytmów

Zastosowanie Deep Loop Shaping w całym systemie kontroli luster LIGO może całkowicie wyeliminować szumy pochodzące z samego systemu kontroli, otwierając drogę do badania odległych i słabych źródeł fal grawitacyjnych. Metoda ta ma również potencjał do zastosowania w innych dziedzinach inżynierii, takich jak tłumienie wibracji w systemach lotniczych, robotyce i inżynierii konstrukcyjnej.

Oczekuje się, że Deep Loop Shaping wpłynie na projekt przyszłych obserwatoriów fal grawitacyjnych, zarówno naziemnych, jak i kosmicznych, umożliwiając astronomom łączenie brakujących elementów w układance zrozumienia wszechświata.