Искусственный интеллект повысил точность LIGO: новый алгоритм открывает новые горизонты в изучении черных дыр

LIGO, Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, считается самым точным измерительным инструментом в мире. Она способна регистрировать движения в десятки тысяч раз меньше ширины протона. Две установки LIGO — в Вашингтоне и Луизиане — фиксируют рябь пространства-времени, известную как гравитационные волны, возникающие при столкновениях черных дыр и других массивных космических объектов.

С 2015 года LIGO положила начало гравитационно-волновой астрономии, впервые зарегистрировав эти волны, что принесло трем ее основателям Нобелевскую премию по физике в 2017 году. Современные модернизации позволяют LIGO обнаруживать слияния черных дыр в среднем каждые три дня. Совместно с аналогичными обсерваториями Virgo (Италия) и KAGRA (Япония) LIGO зафиксировала сотни подобных событий, включая столкновения нейтронных звезд.

Ученые стремятся повысить чувствительность LIGO для обнаружения более массивных черных дыр промежуточной массы — гипотетического класса объектов между звездными и сверхмассивными черными дырами. Улучшения также позволят находить черные дыры с вытянутыми орбитами и фиксировать слияния на ранних стадиях.

Чтобы достичь этого, исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech), Института Гран-Сассо (Италия) и Google DeepMind разработали алгоритм Deep Loop Shaping на основе искусственного интеллекта. Он подавляет «шум» — вибрации зеркал LIGO, вызванные внешними факторами, такими как океанские волны. Результаты, опубликованные в журнале Science, показали, что ИИ снижает уровень шума в 30–100 раз эффективнее традиционных методов.

Как работает LIGO и почему шум — враг точности

Каждая обсерватория LIGO представляет собой гигантскую L-образную конструкцию с вакуумными трубами длиной 4 км. Лазеры, отражающиеся между 40-килограммовыми зеркалами, фиксируют микроскопические изменения длины плеч интерферометра, вызванные гравитационными волнами. Однако даже ничтожные вибрации зеркал маскируют сигналы. Основной источник помех — океанские волны, создающие низкочастотные колебания.

«Представьте шумоподавляющие наушники на пляже: микрофон улавливает шум волн, а система генерирует антишум. Так же LIGO компенсирует вибрации, но при этом возникает высокочастотное «шипение», — объясняет Кристофер Випф, соавтор исследования. Новый алгоритм на базе обучения с подкреплением научился минимизировать как внешние шумы, так и помехи от самой системы управления.

«ИИ играл в «игру»: получал очки за подавление шума и штрафы за его усиление. В итоге алгоритм достиг невероятной точности», — говорит профессор Рана Адхикари. Технология не только улучшит LIGO, но и ляжет в основу будущих гравитационных обсерваторий.

Перспективы: от космоса до роботов

Метод Deep Loop Shaping может применяться в аэрокосмической отрасли, робототехнике и инженерии для подавления вибраций в динамических системах. Для LIGO это означает обнаружение более массивных черных дыр и слияний на ранних стадиях, когда гравитационные волны имеют низкую частоту (10–30 Гц).

Пока алгоритм тестировался лишь в течение часа, но команда планирует длительные испытания и интеграцию во все системы LIGO. «Это меняет представление о возможностях наземных детекторов», — отмечает Випф. Ученые также надеются, что технология вдохновит новое поколение исследователей на инновации в изучении Вселенной.

С внедрением Deep Loop Shaping LIGO сможет не только чаще обнаруживать слияния черных дыр, но и пролить свет на загадки темной материи и энергии. Уменьшение шума в низкочастотном диапазоне открывает путь к регистрации гравитационных волн от объектов, существовавших в ранней Вселенной, таких как космические струны или первичные черные дыры. Кроме того, технология может быть адаптирована для космических миссий, например, модернизации лазерных интерферометров на спутниках LISA, что позволит изучать сверхмассивные черные дыры в центрах галактик. В перспективе искусственный интеллект станет неотъемлемой частью научных инструментов, расширяя границы познания от квантового мира до глубин космоса.