Обсерватория LIGO — инструмент настолько чувствительный, что способен измерять смещения в 10 000 раз меньше ширины протона. Такая невероятная точность имеет свою цену. LIGO находится в постоянной борьбе с шумом — гулом самой Земли, плеском далеких океанских волн, едва уловимой дрожью грунта.

Годами системы, созданные для подавления таких помех, сами становились источником проблемы, внося собственное высокочастотное «шипение». Побочный эффект ослеплял обсерваторию, мешал ей регистрировать одни из самых грандиозных событий во Вселенной. Сегодня этот технологический тупик преодолен благодаря новому подходу, рожденному в сотрудничестве физиков и специалистов по искусственному интеллекту из Google.

Deep Loop Shaping — алгоритм, который не просто фильтрует шум, а учится активно его переигрывать, раздвигая границы наших знаний.

Симфония космоса

Чтобы понять масштаб прорыва, необходимо осознать, с какой сложной задачей сталкиваются ученые.

Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO, Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) Национального научного фонда США состоит из двух частей — одной в штате Вашингтон и другой в Луизиане.

Это не просто прибор, а целая новая область астрономии, начавшаяся в 2015 году с первой в истории прямой регистрации столкновения черных дыр. Открытие позволило буквально «слышать» самые мощные катаклизмы Вселенной. В 2017 году трое основателей обсерватории были удостоены Нобелевской премии по физике.

Совместно со своими партнерами, гравитационно-волновым детектором Virgo в Италии и KAGRA в Японии, обсерватория на сегодняшний день обнаружила сотни кандидатов в слияния черных дыр, а также несколько событий с участием как минимум одной нейтронной звезды.

Исследователи стремятся еще больше расширить возможности LIGO. Новая цель — увеличить спектр регистрируемых слияний.

Гипотетически могут существовать черные дыры промежуточной массы. Они заполняют пробел между обычными, то есть звездной массы, и сверхмассивными черными дырами в центрах галактик.

Также ученые хотят упростить для LIGO поиск подобных объектов с эксцентричными, вытянутыми орбитами. Не менее сложная задача — обнаруживать события на более ранних этапах процесса слияния, когда плотные тела движутся по спирали навстречу друг другу.

ML Impact — про ML и AI без хайпа

Все кругом говорят про ML, но многие ли понимают его настоящую пользу для бизнеса? Мы запустили ресурс, который поможет во всем разобраться.

Подробнее →

Непоколебимые зеркала

LIGO состоит из двух гигантских Г-образных установок в США, разнесенных на тысячи километров. Внутри каждого четырехкилометрового плеча в вакууме лазерные лучи многократно отражаются от идеально отполированных 40-килограммовых зеркал.

Когда гравитационная волна достигает Земли, она на невообразимо малую величину сжимает и растягивает само пространство-время. Длина одного плеча интерферометра изменяется относительно другого. Именно это субатомное смещение и улавливает лазерная система, превращая его в сигнал. Не зря LIGO получила прозвище «самой точной линейки в мире».

Чтобы проводить измерения на таком уровне, нужно избавиться от фоновых шумов. Нежелательное движение зеркал отклоняет их ориентацию от заданного положения, пусть и на очень малые величины. Обе установки довольно далеки от побережья, и тем не менее океанские волны — один из самых сильных источников вибраций.

«Шум» — это любые фоновые помехи, мешающие сбору данных. Он может быть и буквальным — далекими звуковыми волнами. Однако чаще всего — это незначительное дрожание гигантских зеркал, то есть сердца установки. Такие вибрации заглушают драгоценные сигналы гравитационных волн.

«Это как если бы детекторы находились на пляже. Вода на Земле — все время в движении. Океанские волны создают низкочастотные, медленные вибрации, которые сильно мешают обеим установкам.

Решение для гравитационного телескопа схоже с тем, как работают обычные наушники.

Представьте, что сидите на пляже. Ваша гарнитура с шумоподавлением. Микрофон улавливает звуки океана, а затем контроллер посылает сигнал на динамик, чтобы нейтрализовать шум волн. Вот так и мы отсеиваем помехи от океанских и других сейсмических колебаний грунта в LIGO.

Однако за шумоподавление приходится расплачиваться. Если вы когда-нибудь использовали такие наушники в тихом месте, то могли уловить слабое шипение. У микрофона — собственный, внутренний «голос». Именно от такого самопроизвольного шума мы и хотим избавиться в LIGO»,

— объясняет соавтор проекта Кристофер Випф, научный сотрудник по гравитационно-волновым интерферометрам в Калифорнийском технологическом институте.

Оборудование гравитационного телескопа справляется с этой проблемой. Выручает традиционная система управления с обратной связью. Контроллер улавливает гул в зеркалах, вызванный постоянной сейсмической активностью, и противодействует этим вибрациям.

При этом возникает новое, более высокочастотное дрожание — подобно шипению в наушниках. Контроллер улавливает и этот «призвук». И вот он уже борется с двумя типами помех. Систему можно сравнить с попыткой разгладить поверхность водяного матраса: надавливая в одном месте, неизбежно создаем волны в другом. Контроллерам приходится автоматически распознавать помехи, чтобы стабилизировать систему.

Исследователи намерены и дальше совершенствовать управление. Необходимо уменьшить вызванное контроллером влияние. Ничто не должно мешать сигналам в низкочастотной части диапазона.

LIGO обнаруживает гравитационные волны с частотой от 10 до 5 000 Гц. Человек слышит звуковые волны с частотой от 20 до 20 000 кГц. Помехи — в диапазоне от 10 до 30 Гц. Как назло, именно здесь могут быть зафиксированы слияния более массивных черных дыр, а также их движение на начальных этапах финальных спиралей. Например, знаменитые «чирикающие» сигналы начинаются на низких частотах, а затем переходят на более высокие.

Но решение пришло не из мира физики.

Привлечение ИИ

Около четырех лет назад Ян Хармс, бывший научный сотрудник и доцент Калифорнийского технологического института, а ныне профессор Научного института Гран-Сассо, обратился к экспертам в Google DeepMind.

Он поинтересовался, могут ли они разработать какой‑то способ с привлечением искусственного интеллекта и помочь с вибрациями зеркал. В этот момент к работе подключился Рана Адхикари, соавтор исследования, профессор физики Калифорнийского технологического института. Началось сотрудничество астрофизиков и специалистов из Google DeepMind.

Решением задачи улучшения чувствительности гравитационного телескопа занимались вместе: исследователи из Калифорнийского технологического института, Научного института Гран-Сассо (Gran Sasso Science Institute) в Италии, специалисты Google DeepMind. Они разработали новый метод на основе ИИ под названием Deep Loop Shaping, который хорошо подавляет нежелательный шум в детекторах LIGO.

Много различных методов было перепробовано. В итоге лучше всех показало себя обучение с подкреплением — эта техника по сути и научила алгоритм ИИ контролировать шум.

«Этот метод требует длительного обучения. Мы предоставили данные, а в DeepMind провели симуляции. Фактически они запускали десятки симуляций LIGO параллельно. Процесс можно представить как игру: вы получаете очки за уменьшение шума и штрафные баллы за увеличение. Успешные „игроки“ продолжают попытки, чтобы „заполучить приз“. Результат прекрасен — алгоритм работает на подавление шума зеркал»,

— говорит Рана Адхихари.

Интересно, как отличаются традиционный подход и с привлечением искусственного интеллекта.

«Без ИИ ученые и инженеры математически в мельчайших деталях моделируют систему, которой хотят управлять.

Но ИИ, натренированный на достаточно подробной модели, сможет уловить особенности, которые невозможно учесть в классических методах»,

— объясняет Ричард Мюррей (бакалавр наук, 1985 г.), профессор кафедры систем управления, динамических систем и биоинженерии имени Томаса Э. и Дорис Эверхарт в Калифорнийском технологическом институте.

Мюррей — известный эксперт в теории управления сложных систем. Он не участвует в работе над телеспкопом, но разрабатывает инструменты ИИ для индустрии беспилотных автомобилей.

В своей статье журнала Science исследователи показали, что новый алгоритм подавляет паразитные движения зеркал в 30−100 раз лучше традиционных методов. Правда, пока это лишь экспериментальный образец.

«Мы уже были на переднем крае инноваций, когда проводили самые точные измерения в мире. С помощью ИИ удалось повысить производительность LIGO для обнаружения более крупных черных дыр. Эта технология поможет нам не только улучшить существующую обсерваторию, но и построить новые, более крупные гравитационно-волновые детекторы — такие, как LIGO India»,

— говорит Рана Адхикари.

Улучшатся и технологии систем управления.

«В будущем Deep Loop Shaping решит и другие инженерные задачи, связанные с подавлением вибраций и шума, а также важными высокодинамичными или нестабильными системами в аэрокосмической отрасли, робототехнике и строительной инженерии»,

— пишут в своем блоге, посвященном исследованию, соавторы Брендан Трейси и Йонас Бухли, инженер и ученый из Google DeepMind.

Все убеждены, что главные открытия — еще впереди.

«Думаем, что это исследование вдохновит больше студентов на работу в LIGO и участие в подобных выдающихся проектах. Мы — на переднем крае того, что возможно в измерении крошечных, квантовых расстояний»,

— добавляет Рана Адхикари.

Созданный метод ИИ испытывался на LIGO всего час. На данном этапе важно убедиться в его принципиальной работоспособности. Команда с нетерпением ждет более длительных испытаний и полноценного внедрения этого метода в нескольких системах LIGO.

«Это инструмент, который преображает наше представление о возможностях наземных детекторов. Даже невероятно сложная проблема становится менее пугающей»,

— подытоживает Ричард Випф.

«Improving cosmological reach of LIGO using Deep Loop Shaping», статья в журнале Science, была частично поддержана Национальным научным фондом США, который финансирует LIGO.