Обсерватория LIGO работает в США уже 10 лет. Она фиксирует гравитационные волны — колебания пространства-времени, которые возникают, когда сталкиваются гигантские объекты, например черные дыры. Эти волны распространяются со скоростью света, но их «дрожания» настолько малы, что сравнимы с величиной примерно в 10 тысяч раз меньше, чем радиус ядра атома.

С момента первых наблюдений LIGO успела зарегистрировать почти 100 таких сигналов. Все они указывали на слияния черных дыр. Чтобы получить эти данные, ученые построили два комплекса с перпендикулярно расположенными «плечами» (тоннелями) длиной по четыре километра каждый. Лазерный луч отправляют в оба направления, отражают от идеально отполированных зеркал и сравнивают. Если через установку проходит гравитационная волна, длина плечей меняется на доли нанометра. Эта разница и становится ключом к разгадке, откуда пришел сигнал.

Обсерватория настолько чувствительна, что улавливает буквально все — вибрации от волн в океане за тысячи километров, шум проезжающих машин и даже колебания, которые вызывают облака, плывущие высоко в небе. Все это создает фоновый шум, который часто заглушает крайне слабые космические сигналы. 

Чтобы избавиться от помех и компенсировать внешние вибрации, ученым приходилось постоянно вносить десятки микроскопических корректировок  вручную — тонко настраивать ориентацию зеркал и другого оборудования. Это сложно и долго: стоит подправить один параметр, и тут же начинают «плыть» другие.

Статья по теме: Слияние двух нейтронных звезд могло привести к появлению самой маленькой черной дыры

Попытки автоматизировать процесс часто приводили к обратному эффекту — система создавала еще больше шума. Главная задача — удержать зеркала в идеальной неподвижности. Если их удерживать слишком слабо, они начинают «болтаться». Слишком сильно, — оборудование «гудит» от перенапряжения.

На помощь пришла команда американских физиков и программистов из Калифорнийского технологического института вместе со специалистами Google DeepMind.

Исследователи разработали специальный алгоритм искусственного интеллекта под названием Deep Loop Shaping. Ученые не стали сразу проверять программу на практике. Вместо этого создали «виртуальную копию» LIGO в компьютере — как тренажер, где алгоритм обучался. 

Специалисты поставили две задачи Deep Loop Shaping — снизить шум и при этом совершать как можно меньше корректирующих движений. Со временем алгоритм сам нашел безупречную стратегию, после чего его перенесли на реальную установку. 

Статья по теме: Звезды с необычной «вязкостью» могут имитировать черные дыры

Первый тест длился всего час, но показал впечатляющий результат. Новая система уменьшила уровень постороннего шума, мешающего работе зеркал, в 100 раз. Это кардинально повышает чувствительность всего комплекса LIGO. То есть теперь установка сможет зафиксировать более слабые и редкие сигналы, которые раньше терялись в фоновом гуле.

Однако ученые с осторожностью смотрят в будущее. Пока что технологию тестировали в реальных условиях обсерватории всего час. Следующая задача — доказать, что алгоритм сможет стабильно работать недели и даже месяцы без перерыва. Кроме того, пока его применили только к одной подсистеме — контролю за зеркалами. Всего же в LIGO существуют сотни, если не тысячи элементов, которые требуют подобной тонкой настройки.

Тем не менее перспектива колоссальная. Если алгоритм улучшит работу и других частей установки, это повысит шансы, что LIGO сможет заметить так называемые черные дыры промежуточной массы — объекты примерно в тысячу раз тяжелее Солнца. 

Статья по теме: Ученые впервые увидели, как две сверхмассивные черные дыры вращаются вокруг друг друга

Традиционно различают два типа черных дыр: звездной массы (от нескольких масс Солнца — до сотен) и сверхмассивные (от миллиона масс Солнца). Теоретики уверены, что в природе должны находиться черные дыры промежуточной массы. В момент написания этого материала, ни один научный инструмент не смог предоставить неопровержимых доказательств их существования, специалисты находили лишь кандидатов в такие объекты. 

Гравитационные волны бывают короткие и длинные. Чем больше объект, который их создает, тем длиннее волна. Эти длинные волны называют низкочастотными.

Именно такие сигналы LIGO улавливать сложнее всего, потому что они сильнее «тонут» в шуме. Если повысить чувствительность установки на этих частотах, то ученые смогут заметить волны от черных дыр промежуточной массы, то есть тех объектов, которые раньше оставались «невидимыми».

Научная работа опубликована в журнале Science.