Starania o zrozumienie wszechświata mogą być wzmocnione dzięki sztucznej inteligencji opracowanej przez Google DeepMind. Algorytm, który może zmniejszyć niepożądany hałas nawet o 100 razy, może pozwolić Laserowemu Obserwatorium Fal Grawitacyjnych (LIGO) na wykrycie określonego typu czarnej dziury, który do tej pory nam umknął.
LIGO zostało zaprojektowane do wykrywania fal grawitacyjnych powstających, gdy obiekty takie jak czarne dziury spiralizują na siebie i zderzają się. Te fale przemierzają wszechświat z prędkością światła, ale fluktuacje, jakie powodują w czasoprzestrzeni, są niezwykle małe – 10 000 razy mniejsze niż jądro atomu. Od pierwszych obserwacji 10 lat temu, LIGO zarejestrowało sygnały powstające podczas niemal 100 kolizji czarnych dziur.
By to zrobić, eksperyment składa się z dwóch obserwatoriów w USA, z dwoma ramionami po 4 km długości, ustawionymi prostopadle do siebie. Do każdego ramienia skierowane są lasery, odbijane przez precyzyjne lustra na końcu, a następnie porównywane za pomocą interferometra. Długość ramion zmienia się o niewielką ilość, gdy fale grawitacyjne je spłukują, i to jest starannie rejestrowane w celu zbudowania obrazu pochodzenia tych sygnałów.
Problem polega na tym, że wymagana jest tak duża dokładność, że nawet dalekie fale morskie lub chmury przelatujące nad głową mogą wpłynąć na pomiary. Ten hałas może łatwo zagłuszyć sygnały, uniemożliwiając niektóre obserwacje. Konieczne jest wprowadzenie dziesiątek głównych dostosowań, aby wyfiltrować najgorszy z tego hałasu, dostosowując kierunek luster i inny sprzęt.
Rana Adhikari w instytucie technologicznym w Kalifornii w Pasadenie, który współpracował z DeepMind w opracowaniu nowej technologii AI, mówi, że próba zautomatyzowania tych dostosowań może ironicznie stworzyć więcej hałasu. „To sterowanie hałasem nas dręczyło przez dziesięciolecia – wszystko w tej dziedzinie zostało zablokowane” – mówi Adhikari. „Jak utrzymać lustra w spoczynku bez wprowadzania hałasu? Jeśli ich nie kontrolujesz, lustra wymachują, a jeśli kontrolujesz za mocno, to się tak trochę szarpie”.”
Laura Nuttall na Uniwersytecie w Portsmouth w Wielkiej Brytanii była jednym z naukowców, którzy dawniej ręcznie dokonywali tych dostosowań w LIGO. „Jak przesuniesz coś, coś się rusza, a coś jeszcze i coś jeszcze” – mówi. „Spędzałbyś całą wieczność na dostrojeniu.”
Nowe AI Deep Loop Shaping DeepMind ma na celu zmniejszenie poziomu hałasu związanego z dostosowywaniem luster w LIGO nawet o 100 razy. AI został przeszkolony w symulacji przed przetestowaniem w rzeczywistości i ma efektywnie za zadanie osiągnięcie dwóch celów: redukcję hałasu i minimalizację liczby dostosowań. „Z upływem czasu, poprzez wielokrotne wykonywanie tego – to jakby setki tysięcy prób, które działają w symulacji – kontroler znajdzie, co działa, a co nie działa i znajdzie naprawdę, naprawdę dobrą politykę” – mówi Jonas Buchli z DeepMind.
Alberto Vecchio na Uniwersytecie w Birmingham w Wielkiej Brytanii, który nie brał udziału w badaniach, ale pracuje nad LIGO, mówi, że AI jest ekscytującą rzeczą, chociaż przed nim wiele trudności jeszcze do przezwyciężenia.
Po pierwsze, technologia była uruchomiona tylko przez godzinę w rzeczywistości na LIGO, więc trzeba pokazać, że może działać przez tygodnie lub nawet miesiące. Po drugie, technologia była dotąd stosowana tylko do jednego aspektu kontroli, pomagając w stabilizowaniu luster, a można ją zastosować w setkach, jeśli nie tysiącach innych aspektów.
„To jasne, że to tylko pierwszy krok, ale uważam, że to bardzo intrygujący krok. I oczywiście jest wiele miejsca do ogromnego postępu” – mówi Vecchio.
Jeśli podobne ulepszenia mogłyby zostać dokonane we wszystkich obszarach, wtedy uważa, że moglibyśmy zauważyć tzw. czarne dziury o średniej wielkości – na przykład te o masach około 1000 razy większych niż nasze słońce – klasa obiektów bez potwierdzonych obserwacji. Ulepszenia miałyby tendencję do pojawienia się na falach grawitacyjnych o niższej częstotliwości, gdzie długość fali jest bardziej podatna na hałas, i które są tworzone przez większe obiekty.
„Znamy czarne dziury do 100 mas słonecznych. Znamy czarne dziury w naszej galaktyce, które mają milion mas słonecznych i więcej. Co jest pomiędzy nimi?” – mówi Vecchio. „Ludzie myślą, że będą czarne dziury we wszystkich różnych zakresach mas, ale nikt nie ma niekontrowersyjnych doświadczalnych dowodów obserwacyjnych.”
Nuttall mówi, że nowe podejście może również zapewnić bardziej szczegółowe obserwacje rodzajów czarnych dziur, które już widzieliśmy. „To wygląda całkiem nieźle” – mówi. „Jestem bardzo podekscytowana tym.”
