利用AI提升引力波探测精度

使用AI更深入地感知宇宙

我们新颖的Deep Loop Shaping方法改进了引力波天文台的控制能力，帮助天文学家更好地理解宇宙的动力学和形成过程。

为了帮助天文学家研究宇宙中最强大的过程，相关团队一直使用AI来稳定有史以来最灵敏的观测仪器之一。在今日发表于《科学》杂志的一篇论文中，介绍了Deep Loop Shaping这一新颖的AI方法，它将开启下一代引力波科学。Deep Loop Shaping可降低天文台反馈系统中的噪声并改进控制，有助于稳定用于测量引力波（时空结构中的微小涟漪）的组件。

这些波由中子星碰撞和黑洞合并等事件产生。该方法将帮助天文学家收集对理解宇宙动力学和形成至关重要的数据，并更好地检验物理学和宇宙学的基本理论。

该方法是与加州理工学院运营的LIGO（激光干涉引力波天文台）以及GSSI（格兰萨索科学研究所）合作开发的，并在路易斯安那州利文斯顿的天文台得到了验证。

LIGO以惊人的精度测量引力波的性质和起源。但最微小的振动（甚至来自100英里外墨西哥湾海岸的海浪）都可能干扰其测量。为了正常运行，LIGO依赖数千个控制系统使每个部件保持近乎完美的对准，并通过连续反馈适应环境扰动。

Deep Loop Shaping将LIGO中最不稳定、最困难反馈回路的噪声水平降低了30到100倍，从而提高了其高灵敏度干涉仪反射镜的稳定性。将该方法应用于LIGO的所有反射镜控制回路，每年可帮助天文学家探测并收集数百个更详细的事件数据。

未来，Deep Loop Shaping还可应用于许多其他工程问题，包括振动抑制、噪声消除以及航空航天、机器人和结构工程中重要的高动态或不稳定系统。

跨宇宙测量

LIGO利用激光干涉来测量引力波的特性。通过研究这些特性，科学家可以找出造成引力波的原因及其来源。天文台的激光从相距4公里的反射镜上反射，这些反射镜位于世界上最大的真空室中。

图片：美国路易斯安那州利文斯顿LIGO的鸟瞰图。天文台的激光从相距4公里的反射镜上反射。图片版权：Caltech/MIT/LIGO Lab

自2015年首次探测到一对碰撞黑洞产生的引力波，验证了阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论的预言以来，LIGO的测量结果深刻改变了我们对宇宙的理解。

借助该天文台，天文学家已探测到数百次黑洞和中子星碰撞，证明了双黑洞系统的存在，观测到中子星碰撞中形成的新黑洞，研究了金等重元素的产生过程等。

天文学家对最大和最小的黑洞已经了解很多，但对中等质量黑洞（被认为是理解星系演化的“缺失环节”）的数据却有限。

迄今为止，LIGO仅能观测到极少数此类系统。为了帮助天文学家捕获更多关于这一现象的数据和细节，我们着手改进了控制系统中最困难的部分，并扩展了可观测这些事件的距离。

“利用引力而非光来研究宇宙，就像用听代替看。这项工作使我们能够调谐到低音部分。”——加州理工学院物理学教授 Rana Adhikari，2025年

降低噪声并稳定系统

当引力波穿过LIGO两条4公里长的臂时，它们会使臂之间的空间发生扭曲，从而改变两端反射镜之间的距离。这些微小的长度差异利用光干涉进行测量，精度达到10^-19米，即质子大小的1/10000。在如此小的测量尺度下，LIGO的探测器反射镜必须保持极度静止，与环境扰动隔离。

图片：LIGO特写，使用强激光和反射镜探测宇宙中由黑洞碰撞和合并等事件产生的引力波。图片版权：Caltech/MIT/LIGO Lab

这需要一个无源机械隔离系统和一个主动抑制振动的控制系统。控制过少会导致反射镜摆动，无法测量任何东西。但控制过多实际上会放大系统中的振动而非抑制振动，从而在某些频率范围内淹没信号。

这些被称为“控制噪声”的振动是提高LIGO探测宇宙能力的关键障碍。团队设计了Deep Loop Shaping，以超越传统方法（如目前运行中的线性控制设计方法），从根本上消除控制器作为有意义噪声来源的问题。

更高效的控制系统

Deep Loop Shaping利用了一种基于频域奖励的强化学习方法，性能超越了最先进的反馈控制。在模拟的LIGO环境中，训练了一个控制器，试图避免在用于测量引力波的观测频带（即需要反射镜保持静止以观测诸如几百个太阳质量的黑洞合并等事件的频带）内放大噪声。

通过反复交互，在频域奖励的引导下，该控制器学会了抑制观测频带内的控制噪声。换句话说，控制器学会了稳定反射镜而不引入有害的控制噪声，将噪声水平降低了十倍或更多，使其低于光反射时辐射压力量子涨落引起的振动量。

在仿真和硬件上均表现强劲

在美国路易斯安那州利文斯顿的真实LIGO系统上测试了控制器，发现它们在硬件上的表现与仿真中一样好。

结果表明，Deep Loop Shaping的噪声控制效果比现有控制器好30到100倍，并且首次消除了LIGO上最不稳定和最困难的反馈回路作为有意义噪声来源的问题。

折线图：使用Deep Loop Shaping方法得到的控制噪声频谱。在最不稳定和困难的反馈控制回路中，注入的控制噪声水平有30至100倍的改善。

在重复实验中，确认了控制器能长时间保持天文台系统的稳定。

更好地理解宇宙的本质

Deep Loop Shaping通过解决研究引力波的一个关键障碍，推动了天体物理学目前的边界。将Deep Loop Shaping应用于LIGO的整个反射镜控制系统，有望消除来自控制系统本身的噪声，从而为扩展其宇宙学探测范围铺平道路。

除了显著改进现有引力波天文台测量更远、更暗信号源的能力外，这项工作预计还将影响未来地面和空间天文台的设计，并最终有史以来第一次帮助连接宇宙中的缺失环节。

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致谢

本研究由Jonas Buchli、Brendan Tracey、Tomislav Andric、Christopher Wipf、Yu Him Justin Chiu、Matthias Lochbrunner、Craig Donner、Rana X Adhikari、Jan Harms、Iain Barr、Roland Hafner、Andrea Huber、Abbas Abdolmaleki、Charlie Beattie、Joseph Betzwieser、Serkan Cabi、Jonas Degrave、Yuzhu Dong、Leslie Fritz、Anchal Gupta、Oliver Groth、Sandy Huang、Tamara Norman、Hannah Openshaw、Jameson Rollins、Greg Thornton、George van den Driessche、Markus Wulfmeier、Pushmeet Kohli、Martin Riedmiller完成，是LIGO、加州理工学院、GSSI和某机构的合作成果。

感谢出色的LIGO仪器团队为保持天文台运行和支持实验所做的不懈努力。FINISHED