Usar AI para percibir el universo con mayor profundidad

Nuestro nuevo método de conformación de bucle profundo mejora el control de los observatorios de ondas gravitacionales, ayudando a los astrónomos a comprender mejor la dinámica y la formación del universo.

Para ayudar a los astrónomos a estudiar los procesos más poderosos del universo, nuestros equipos han estado utilizando AI para estabilizar uno de los instrumentos de observación más sensibles jamás construidos.

En un artículo publicado hoy en Science, presentamos Formación de bucle profundoun nuevo método de IA que desbloqueará la ciencia de ondas gravitacionales de próxima generación. La conformación de bucle profundo reduce el ruido y mejora el control en el sistema de retroalimentación de un observatorio, ayudando a estabilizar los componentes utilizados para medir las ondas gravitacionales: las pequeñas ondas en la tela del espacio y el tiempo.

Estas ondas son generadas por eventos como colisiones de estrellas de neutrones y fusiones de agujeros negros. Nuestro método ayudará a los astrónomos a recopilar datos críticos para comprender la dinámica y la formación del universo, y probar mejor las teorías fundamentales de la física y la cosmología.

Desarrollamos una configuración de bucle profunda en colaboración con Ligo (Observatorio de ondas gravitacionales de interferómetro láser) operado por Caltech, y Gssi (Gran Sasso Science Institute), y demostró nuestro método en el Observatorio de Livingston, Louisiana.

LIGO mide las propiedades y los orígenes de las ondas gravitacionales con una precisión increíble. Pero la más mínima vibración puede interrumpir sus mediciones, incluso desde olas que se estrellan a 100 millas de distancia en la costa del Golfo. Para funcionar, LIGO se basa en miles de sistemas de control que mantienen cada parte en la alineación casi perfecta, y se adapta a las perturbaciones ambientales con retroalimentación continua.

La configuración del bucle profundo reduce el nivel de ruido en el circuito de retroalimentación más inestable y difícil en LIGO en 30 a 100 veces, mejorando la estabilidad de sus espejos de interferómetro altamente sensibles. Aplicar nuestro método a todos los bucles de control de espejo de Ligo podría ayudar a los astrónomos a detectar y recopilar datos sobre cientos de eventos más por año, con mucho mayor detalle.

En el futuro, la conformación de bucle profundo también podría aplicarse a muchos otros problemas de ingeniería que involucran supresión de vibraciones, cancelación de ruido y sistemas altamente dinámicos o inestables importantes en la ingeniería aeroespacial, robótica e estructural.

Medición en todo el universo

LIGO utiliza la interferencia de la luz láser para medir las propiedades de las ondas gravitacionales. Al estudiar estas propiedades, los científicos pueden descubrir qué les causó y de dónde vinieron. Los láseres del observatorio reflejan los espejos colocados en 4 kilómetros de distancia, alojados en las cámaras de vacío más grandes del mundo.

Desde que detectaron las ondas gravitacionales producidas por un par de agujeros negros colisionados, en 2015, Verificar las predicciones de la teoría general de la relatividad de Albert EinsteinLas mediciones de Ligo han cambiado profundamente nuestra comprensión del universo.

Con este observatorio, los astrónomos han detectado cientos de colisiones de agujeros negros y estrellas de neutrones, demostrado que la existencia de sistemas binarios de agujeros negros, visto nuevos agujeros negros formados en colisiones de estrellas de neutrones, estudió la creación de elementos pesados ​​como el oro y más.

Los astrónomos ya saben mucho sobre los agujeros negros más grandes y más pequeños, pero solo tenemos datos limitados sobre agujeros negros de masa intermedia, considerado el “vínculo faltante” para comprender la evolución de la galaxia.

Hasta ahora, LIGO solo ha sido capaz de observar muy pocos de estos sistemas. Para ayudar a los astrónomos a capturar más detalles y datos de este fenómeno, trabajamos para mejorar la parte más difícil del sistema de control y expandir cuán lejos podemos ver estos eventos.

Reducir el ruido y estabilizar el sistema

A medida que las ondas gravitacionales pasan a través de los dos brazos de 4 kilómetros de Ligo, deforman el espacio entre ellos, cambiando la distancia entre los espejos en cada extremo. Estas pequeñas diferencias de longitud se miden utilizando interferencia de luz a una precisión de 10^-19 metros, que es 1/10’000 del tamaño de un protón. Con mediciones, este pequeño, los espejos detector de Ligo deben mantenerse extremadamente quieto, aislados de la perturbación ambiental.

Esto requiere un sistema para el aislamiento mecánico pasivo y otro sistema de control para suprimir activamente las vibraciones. Muy poco control hace que los espejos se balanceen, lo que hace que sea imposible medir cualquier cosa. Pero demasiado control en realidad amplifica las vibraciones en el sistema, en lugar de suprimirlas, ahogando la señal en ciertos rangos de frecuencia.

Estas vibraciones, conocidas como “ruido de control”, son un bloqueador crítico para mejorar la capacidad de LIGO para mirar al universo. Nuestro equipo diseñó una configuración de bucle profunda para ir más allá de los métodos tradicionales, como los métodos de diseño de control lineal actualmente en funcionamiento, para eliminar el controlador como una causa significativa de ruido.

Un sistema de control más efectivo

La conformación de bucle profundo aprovecha un método de aprendizaje de refuerzo que utiliza recompensas de dominio de frecuencia y supera el rendimiento de control de retroalimentación de última generación.

En un entorno LIGO simulado, entrenamos un controlador que intenta evitar amplificar el ruido en la banda de observación utilizada para medir las ondas gravitacionales, la banda donde necesitamos que el espejo esté quieto para ver eventos como fusiones de agujeros negros de hasta unos pocos cientos de masas solares.

A través de la interacción repetida, guiada por recompensas de dominio de frecuencia, el controlador aprende a suprimir el ruido de control en la banda de observación. En otras palabras, nuestros controladores aprenden a estabilizar los espejos sin agregar ruido de control dañino, reduciendo los niveles de ruido en un factor de diez o más, por debajo de la cantidad de vibraciones causado por fluctuaciones cuánticas En la presión de radiación de la luz que se refleja en los espejos.

Fuerte rendimiento a través de la simulación y el hardware

Probamos nuestros controladores en el sistema LIGO real en Livingston, Louisiana, EE. UU., Descubriendo que trabajaban tan bien en el hardware como en la simulación.

Nuestros resultados muestran que la configuración de bucle profunda controla el ruido de hasta 30-100 veces mejor que los controladores existentes, y eliminó el circuito de retroalimentación más inestable y difícil como una fuente significativa de ruido en LIGO por primera vez.

En experimentos repetidos, confirmamos que nuestro controlador mantiene el sistema del observatorio estable durante períodos prolongados.

Mejor comprender la naturaleza del universo

La formación de bucle profundo empuja los límites de lo que actualmente es posible en astrofísica resolviendo un bloqueador crítico para estudiar ondas gravitacionales.

Aplicar la configuración de bucle profundo a todo el sistema de control de espejo de Ligo tiene el potencial de eliminar el ruido del sistema de control mismo, allanando el camino para expandir su alcance cosmológico.

Más allá de mejorar significativamente cómo los observatorios de ondas gravitacionales existentes miden aún más las fuentes y los atenuadores, esperamos que nuestro trabajo influya en el diseño de futuros observatorios, tanto en la Tierra como en el espacio, y, en última instancia, ayude a conectar enlaces faltantes en todo el universo por primera vez.