Новый метод Deep Loop Shaping улучшает контроль гравитационных обсерваторий
Научные команды разработали инновационный метод на основе искусственного интеллекта для стабилизации одного из самых чувствительных инструментов наблюдения за Вселенной. Метод Deep Loop Shaping позволяет снизить уровень шума и улучшить контроль в системах обратной связи обсерваторий, что помогает стабилизировать компоненты для измерения гравитационных волн — крошечных колебаний пространства-времени.
Эти волны генерируются событиями, такими как столкновения нейтронных звёзд и слияния чёрных дыр. Новый подход позволит астрономам собирать данные, критически важные для понимания динамики и формирования Вселенной, а также лучше тестировать фундаментальные теории физики и космологии.
Совместная разработка с ведущими научными институтами
Метод Deep Loop Shaping был разработан в сотрудничестве с LIGO (Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией), управляемой Калифорнийским технологическим институтом, и GSSI (Институтом науки Гран-Сассо). Тестирование метода проводилось на обсерватории в Ливингстоне, Луизиана.
LIGO измеряет свойства и источники гравитационных волн с невероятной точностью. Однако малейшие вибрации могут нарушить измерения, даже от волн, разбивающихся в 100 милях от побережья Мексиканского залива. Для функционирования LIGO полагается на тысячи систем управления, которые поддерживают каждую часть в почти идеальном alignment, и адаптируется к environmental disturbances с помощью continuous feedback.
Значительное снижение уровня шума
Deep Loop Shaping снижает уровень шума в самой нестабильной и сложной петле обратной связи LIGO в 30–100 раз, улучшая стабильность высокочувствительных интерферометровых зеркал. Применение этого метода ко всем петлям управления зеркалами LIGO может помочь астрономам обнаруживать и собирать данные о сотнях дополнительных событий в год с гораздо большей детализацией.
В будущем Deep Loop Shaping может также применяться ко многим другим инженерным проблемам, связанным с подавлением вибраций, шумоподавлением и высокодинамичными или нестабильными системами, важными в аэрокосмической отрасли, робототехнике и структурной инженерии.
Измерения по всей Вселенной
LIGO использует интерференцию лазерного света для измерения свойств гравитационных волн. Изучая эти свойства, учёные могут определить, что их вызвало и откуда они пришли. Лазеры обсерватории отражаются от зеркал, расположенных на расстоянии 4 километров друг от друга, размещённых в крупнейших в мире вакуумных камерах.
С момента первого обнаружения гравитационных волн, произведённых парой сталкивающихся чёрных дыр в 2015 году, что подтвердило предсказания общей теории относительности Альберта Эйнштейна, измерения LIGO кардинально изменили наше понимание Вселенной.
С помощью этой обсерватории астрономы обнаружили сотни столкновений чёрных дыр и нейтронных звёзд, доказали существование двойных систем чёрных дыр, наблюдали образование новых чёрных дыр в столкновениях нейтронных звёзд, изучали создание тяжёлых элементов, таких как золото, и многое другое.
Изучение Вселенной с помощью гравитации вместо света похоже на слушание вместо зрения. Эта работа позволяет нам настроиться на басы.
Снижение шума и стабилизация системы
Когда гравитационные волны проходят через два 4-километровых плеча LIGO, они искажают пространство между ними, изменяя расстояние между зеркалами на концах. Эти крошечные различия в длине измеряются с помощью интерференции света с точностью до 10^-19 метров, что составляет 1/10 000 размера протона. При таких малых измерениях детекторные зеркала LIGO должны быть чрезвычайно неподвижны, изолированы от environmental disturbance.
Это требует одной системы для пассивной механической изоляции и другой системы управления для активного подавления вибраций. Слишком слабый контроль заставляет зеркала колебаться, делая измерения невозможными. Однако слишком сильный контроль фактически усиливает вибрации в системе вместо их подавления, заглушая сигнал в определённых frequency ranges.
Эти вибрации, известные как «control noise», являются критическим препятствием для улучшения способности LIGO заглядывать во Вселенную. Наша команда разработала Deep Loop Shaping, чтобы выйти за пределы традиционных методов, таких как линейные методы управления, currently in operation, и устранить контроллер как значимый источник шума.
Более эффективная система управления
Deep Loop Shaping использует метод reinforcement learning с frequency domain rewards и превосходит state-of-the-art производительность feedback control.
В simulated среде LIGO мы обучили контроллер, который старается избегать усиления шума в observation band, используемом для измерения гравитационных волн — диапазоне, где нам нужно, чтобы зеркало оставалось неподвижным для наблюдения событий, таких как слияния чёрных дыр массой до нескольких сотен солнечных масс.
Путём repeated interaction, guided by frequency domain rewards, контроллер учится подавлять control noise в observation band. Другими словами, наши контроллеры учатся стабилизировать зеркала без добавления вредного control noise, снижая уровни шума в десять и более раз ниже количества вибраций, вызванных quantum fluctuations в radiation pressure света, отражающегося от зеркал.
Высокая производительность в simulation и на hardware
Мы протестировали наши контроллеры на реальной системе LIGO в Ливингстоне, Луизиана, США — обнаружив, что они работают так же хорошо на hardware, как и в simulation.
Наши результаты показывают, что Deep Loop Shaping контролирует шум в 30–100 раз лучше, чем существующие контроллеры, и впервые устранил самую нестабильную и сложную петлю обратной связи как значимый источник шума на LIGO.
В repeated experiments мы подтвердили, что наш контроллер сохраняет стабильность системы обсерватории в течение prolonged periods.
Лучшее понимание природы Вселенной
Deep Loop Shaping расширяет границы того, что currently возможно в астрофизике, решая critical blocker для изучения гравитационных волн.
Применение Deep Loop Shaping ко всей системе управления зеркалами LIGO имеет потенциал устранить шум от самой системы управления, прокладывая путь для расширения её cosmological reach.
Помимо значительного улучшения того, как existing гравитационно-волновые обсерватории измеряют более distant и dim источники, мы ожидаем, что наша работа повлияет на design будущих обсерваторий, как на Земле, так и в космосе — и в конечном итоге поможет впервые соединить missing links throughout the universe.