|
Алгоритм подавления шума приведет к новым открытиям
|
|
|
|
Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO была названа самой точной линейкой в мире за ее способность измерять движения, которые более чем в 10 000 раз меньше ширины протона. Проводя эти чрезвычайно точные измерения, LIGO, состоящая из двух установок — одной в Вашингтоне и одной в Луизиане, — может обнаруживать колебания в пространстве-времени, называемые гравитационными волнами, которые распространяются от сталкивающихся космических тел, таких как черные дыры.
|
|
|
|
LIGO открыла путь в области гравитационно-волновой астрономии в 2015 году, когда впервые в истории напрямую обнаружила эти пульсации, открытие, которое впоследствии принесло трем ее основателям Нобелевскую премию по физике в 2017 году.
|
|
|
|
Усовершенствования интерферометров LIGO означают, что теперь они регистрируют в среднем около одного слияния черных дыр каждые три дня в ходе своей текущей научной работы. Вместе со своими партнерами, гравитационно-волновым детектором Virgo в Италии и KAGRA в Японии, обсерватория в общей сложности обнаружила сотни кандидатов на слияние с черными дырами, а также несколько объектов, включающих по меньшей мере одну нейтронную звезду.
|
|
|
|
Исследователи хотят еще больше расширить возможности LIGO, чтобы они могли обнаруживать большее разнообразие слияний черных дыр, включая более массивные слияния, которые могут относиться к гипотетическому классу черных дыр средней массы, преодолевая разрыв между черными дырами звездной массы и гораздо более крупными сверхмассивными черными дырами, расположенными в центрах галактик.
|
|
|
|
|
|
|
Эти достижения также облегчат LIGO поиск черных дыр с эксцентричными или продолговатыми орбитами, а также отслеживание слияний на ранних стадиях процесса слияния, когда плотные тела движутся по спирали навстречу друг другу.
|
|
|
|
Для этого исследователи из Калифорнийского технологического института и научного института Гран–Сассо в Италии объединились с Google DeepMind, чтобы разработать новый метод искусственного интеллекта под названием Deep Loop Shaping, который может лучше подавлять нежелательные шумы в детекторах LIGO. По мнению ученых, термин "шум" может относиться к любому количеству неприятных фоновых помех, которые мешают сбору данных.
|
|
|
|
Шум может быть в буквальном смысле шумом, как в случае звуковых волн, но в случае LIGO этот термин часто относится к очень незначительному колебанию в гигантских зеркалах, расположенных в центре LIGO. Слишком сильное колебание может маскировать сигналы гравитационных волн.
|
|
|
|
Теперь, как сообщает Science, исследователи показывают, что их новый алгоритм искусственного интеллекта, хотя и остается проверенной концепцией, уменьшает движение зеркал LIGO в 30-100 раз больше, чем это возможно при использовании только традиционных методов шумоподавления. Статья называется "Улучшение космологического охвата LIGO с помощью формирования глубоких контуров".
|
|
|
|
"Мы уже были на переднем крае инноваций, проводя самые точные измерения в мире, но с помощью искусственного интеллекта мы можем повысить производительность LIGO для обнаружения более крупных черных дыр", - говорит соавтор работы Рана Адхикари, профессор физики Калифорнийского технологического института. - Эта технология поможет нам не только усовершенствовать LIGO, но и создать еще более мощные гравитационно-волновые детекторы следующего поколения".
|
|
|
|
Этот подход мог бы также усовершенствовать технологии, использующие системы управления. "В будущем формирование глубоких контуров также может быть применено для решения многих других инженерных задач, связанных с подавлением вибрации, шумоподавлением и высокодинамичными или нестабильными системами, важными в аэрокосмической промышленности, робототехнике и строительной инженерии", - пишут соавторы исследования Брендан Трейси и Джонас Бухли, инженер и ученый из Google, соответственно Компания DeepMind опубликовала в своем блоге сообщение об исследовании.
|
|
|
|
Самые тихие зеркала
|
|
|
|
Как Луизианский, так и вашингтонский центры LIGO имеют форму огромной буквы "L", в каждом конце которой находится вакуумная трубка, оснащенная передовыми лазерными технологиями. Внутри труб длиной 4 километра лазеры перемещаются взад и вперед с помощью гигантских 40-килограммовых зеркал, подвешенных на каждом конце.
|
|
|
|
Когда гравитационные волны достигают Земли из космоса, они искажают пространство-время таким образом, что длина одного рукава изменяется относительно другого на бесконечно малую величину. Лазерная система LIGO обнаруживает эти мельчайшие изменения длины рукава, регистрируя гравитационные волны.
|
|
|
|
Но для достижения такого уровня точности инженеры LIGO должны обеспечить минимизацию фоновых шумов. В этом исследовании особое внимание уделялось нежелательным шумам или движениям в зеркалах LIGO, которые возникают, когда ориентация зеркал отклоняется от желаемого положения на очень малую величину. Хотя оба объекта LIGO расположены относительно далеко от побережья, одним из самых сильных источников этих зеркальных колебаний являются океанские волны.
|
|
|
|
"Это похоже на то, как если бы детекторы LIGO стояли на пляже", - объясняет соавтор Кристофер Уипф, научный сотрудник Калифорнийского технологического института, занимающийся исследованиями гравитационно-волновых интерферометров.
|
|
|
|
"На Земле плещется вода, а океанские волны создают эти очень низкочастотные, медленные вибрации, которые сильно беспокоят оба объекта LIGO".
|
|
|
|
Решение проблемы работает так же, как наушники с шумоподавлением, - объясняет Wipf. "Представьте, что вы сидите на пляже в наушниках с функцией шумоподавления. Микрофон улавливает звуки океана, а затем контроллер посылает сигнал на ваш динамик, чтобы нейтрализовать шум волн", - говорит он. "Это похоже на то, как мы контролируем шум океана и другие сейсмические колебания почвы в LIGO".
|
|
|
|
Однако, как и в случае с наушниками с функцией шумоподавления, за это приходится платить. "Если вы когда-либо слушали эти наушники в тихом месте, вы могли услышать слабое шипение. Микрофон имеет свой собственный шум. Этот самопроизвольный шум - это то, от чего мы хотим избавиться в LIGO", - говорит Випф.
|
|
|
|
Компания LIGO уже успешно справляется с этой проблемой, используя традиционную систему управления с обратной связью. Контроллер улавливает вибрацию зеркал, вызванную сейсмическим шумом, и затем нейтрализует эти вибрации, но таким образом, что зеркала начинают вибрировать на новой, более высокой частоте — как шипение в наушниках.
|
|
|
|
Контроллер также улавливает шипение и постоянно реагирует на оба типа помех, чтобы зеркала оставались как можно более неподвижными. Систему такого типа иногда сравнивают с водяной кроватью: попытки успокоить волны на одной частоте приводят к дополнительным колебаниям на другой частоте. Контроллеры могут автоматически распознавать помехи и стабилизировать систему.
|
|
|
|
Адхикари хотел еще больше усовершенствовать систему управления LIGO, в частности, уменьшить шипение, вызываемое контроллером, которое создает помехи для сигналов гравитационных волн в низкочастотной части диапазона обсерватории.
|
|
|
|
LIGO обнаруживает гравитационные волны с частотой от 10 до 5000 Герц (люди слышат звуковые волны с частотой от 20 до 20 000 Герц).
|
|
|
|
Нежелательное шипение находится в диапазоне от 10 до 30 Герц — и именно здесь можно было бы уловить слияние более массивных черных дыр, а также то, что черные дыры были бы пойманы ближе к началу своей последней смертельной спирали (например, знаменитое "чириканье", слышимое LIGO, начинается на более низких частотах затем поднимитесь на более высокий уровень.)
|
|
|
|
Около четырех лет назад Ян Хармс, бывший доцент Калифорнийского технологического института, а ныне профессор Научного института Гран-Сассо, обратился к экспертам Google DeepMind с просьбой помочь разработать метод искусственного интеллекта для лучшего контроля вибраций в зеркалах LIGO.
|
|
|
|
В этот момент к делу подключился Адхикари, и исследователи начали работать с Google DeepMind, чтобы опробовать различные методы искусственного интеллекта. В итоге они использовали методику под названием "Обучение с подкреплением", которая, по сути, научила алгоритм искусственного интеллекта лучше контролировать шум.
|
|
|
|
"Этот метод требует длительного обучения", - говорит Адхикари. "Мы предоставили данные для обучения, и Google DeepMind провел моделирование. По сути, они параллельно запускали десятки имитируемых LIGO. Вы можете представить себе обучение как игру. Вы получаете очки за уменьшение шума и "динги" за его увеличение. Успешные "игроки" продолжают пытаться выиграть игру в LIGO. Результат прекрасен — алгоритм работает для подавления зеркального шума."
|
|
|
|
Ричард Мюррей (бакалавр), профессор кафедры управления, динамических систем и биоинженерии Калифорнийского технологического института им. Томаса Э. и Дорис Эверхарт, объясняет, что без искусственного интеллекта ученые и инженеры математически моделируют систему, которой они хотят управлять, в мельчайших деталях.
|
|
|
|
"Но с помощью искусственного интеллекта, если вы обучите его на достаточно детализированной модели, он сможет использовать функции системы, которые вы бы не рассмотрели, используя классические методы", - говорит он.
|
|
|
|
Эксперт в области теории управления сложными системами, Мюррей (который не является автором данного исследования) разрабатывает инструменты искусственного интеллекта для определенных систем управления, таких как те, которые используются в самоуправляемых транспортных средствах.
|
|
|
|
"Мы думаем, что это исследование вдохновит большее число студентов на то, чтобы они захотели работать в LIGO и стать частью этой замечательной инновации", - говорит Адхикари. "Мы находимся на переднем крае возможностей измерения крошечных квантовых расстояний".
|
|
|
|
Пока что новый метод искусственного интеллекта тестировался на LIGO всего час, чтобы продемонстрировать, что он работает. Команда планирует провести более длительные тесты и в конечном итоге внедрить этот метод на нескольких системах LIGO. "Это инструмент, который меняет наше представление о том, на что способны наземные детекторы", - говорит Випф. "Это делает невероятно сложную задачу менее пугающей".
|
|
|
|
Источник
|
