Un nuevo algoritmo silencia el ruido no deseado en LIGO y podría conducir a más descubrimientos de agujeros negros
El Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO) de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. ha sido calificado como el instrumento más preciso del mundo por su capacidad para medir movimientos menores a 1/10.000 del ancho de un protón. Mediante estas mediciones extremadamente precisas, LIGO, que consta de dos instalaciones —una en Washington y otra en Luisiana—, puede detectar ondulaciones en el espacio-tiempo, llamadas ondas gravitacionales, que se propagan desde cuerpos cósmicos en colisión, como los agujeros negros.
LIGO marcó el comienzo de la astronomía de ondas gravitacionales en 2015, al detectar directamente por primera vez estas ondas, un descubrimiento que posteriormente les valió a tres de sus fundadores el Premio Nobel de Física en 2017. Las mejoras en los interferómetros de LIGO permiten detectar ahora un promedio de una fusión de agujeros negros cada tres días durante su ciclo de vida actual. Junto con sus socios, el detector de ondas gravitacionales Virgo en Italia y KAGRA en Japón, el observatorio ha detectado cientos de candidatos a fusiones de agujeros negros, además de varios que involucran al menos una estrella de neutrones.
Los investigadores buscan mejorar aún más las capacidades de LIGO para detectar una mayor variedad de fusiones de agujeros negros, incluyendo fusiones más masivas que podrían pertenecer a una hipotética clase de masa intermedia que conecta los agujeros negros de masa estelar con los agujeros negros supermasivos mucho más grandes que residen en el centro de las galaxias. También buscan facilitar a LIGO la detección de agujeros negros con órbitas excéntricas u oblongas, así como la detección de fusiones en las primeras etapas del proceso de coalescencia, cuando los cuerpos densos se aproximan en espiral.
Para lograrlo, investigadores de Caltech y el Instituto de Ciencias Gran Sasso (Italia) colaboraron con Google DeepMind para desarrollar un nuevo método de IA, denominado Deep Loop Shaping, que puede silenciar mejor el ruido no deseado en los detectores de LIGO. El término «ruido» puede referirse a cualquier cantidad de molestas perturbaciones de fondo que interfieren con la recopilación de datos. El ruido puede ser literal, como en las ondas sonoras, pero en el caso de LIGO, el término suele referirse a una ínfima vibración en los espejos gigantes en el núcleo de LIGO. Una vibración excesiva puede enmascarar las señales de ondas gravitacionales.
Ahora, en un informe publicado en Science , los investigadores muestran que su nuevo algoritmo de IA, aunque todavía es una prueba de concepto, silenció los movimientos de los espejos LIGO entre 30 y 100 veces más de lo que es posible utilizando únicamente los métodos tradicionales de reducción de ruido.
«Ya estábamos a la vanguardia de la innovación, realizando las mediciones más precisas del mundo, pero con la IA, podemos optimizar el rendimiento de LIGO para detectar agujeros negros más grandes», afirma la coautora Rana Adhikari , profesora de física en Caltech. «Esta tecnología nos ayudará no solo a mejorar LIGO, sino también a construir LIGO India y detectores de ondas gravitacionales aún más grandes».
Este enfoque también podría mejorar las tecnologías que utilizan sistemas de control. «En el futuro, el Deep Loop Shaping podría aplicarse a muchos otros problemas de ingeniería relacionados con la supresión de vibraciones, la cancelación de ruido y sistemas altamente dinámicos o inestables, importantes en la industria aeroespacial, la robótica y la ingeniería estructural», escriben los coautores del estudio, Brendan Tracey y Jonas Buchli, ingeniero y científico, respectivamente, de Google DeepMind, en una entrada de blog sobre el estudio.
Los espejos más quietos
Tanto las instalaciones LIGO de Luisiana como las de Washington tienen forma de enormes «L», en las que cada brazo contiene un tubo de vacío con tecnología láser avanzada. Dentro de los tubos de 4 kilómetros de longitud, los láseres rebotan con la ayuda de espejos gigantes de 40 kilogramos suspendidos en cada extremo. A medida que las ondas gravitacionales llegan a la Tierra desde el espacio, distorsionan el espacio-tiempo de tal manera que la longitud de un brazo varía con respecto al otro en cantidades infinitesimales. El sistema láser de LIGO detecta estos diminutos cambios de longitud subatómica en los brazos, registrando las ondas gravitacionales.
Pero para lograr este nivel de precisión, los ingenieros de LIGO deben garantizar la eliminación de los ruidos de fondo. Este estudio analizó específicamente los ruidos o movimientos no deseados en los espejos de LIGO, que se producen cuando estos se desvían mínimamente de su orientación respecto a la posición deseada. Aunque ambas instalaciones de LIGO se encuentran relativamente lejos de la costa, una de las fuentes más intensas de estas vibraciones en los espejos son las olas del océano.
«Es como si los detectores LIGO estuvieran en la playa», explica el coautor Christopher Wipf, científico investigador del interferómetro de ondas gravitacionales en Caltech. «El agua se agita en la Tierra, y las olas del océano crean vibraciones lentas de muy baja frecuencia que perturban gravemente ambas instalaciones LIGO».
La solución al problema funciona de forma muy similar a la de los auriculares con cancelación de ruido, explica Wipf. «Imagina que estás sentado en la playa con auriculares con cancelación de ruido. Un micrófono capta los sonidos del océano y un controlador envía una señal a tu altavoz para contrarrestar el ruido de las olas», explica. «Esto es similar a cómo controlamos el ruido oceánico y otros ruidos sísmicos que producen temblores en LIGO».
Sin embargo, como ocurre con los auriculares con cancelación de ruido, esto tiene un precio. «Si alguna vez has usado estos auriculares en un lugar tranquilo, es posible que oigas un leve silbido. El micrófono tiene su propio ruido intrínseco. Este ruido autoinfligido es lo que queremos eliminar en LIGO», afirma Wipf.
LIGO ya gestiona el problema de forma excelente utilizando un sistema de control de retroalimentación tradicional. El controlador detecta la vibración en los espejos causada por el ruido sísmico y contrarresta estas vibraciones, pero de forma que introduce una nueva vibración de mayor frecuencia en los espejos, similar al silbido en los auriculares. El controlador también detecta el silbido y reacciona constantemente a ambos tipos de perturbaciones para mantener los espejos lo más inmóviles posible. Este tipo de sistema se compara a veces con una cama de agua: intentar silenciar las olas en una frecuencia provoca una vibración adicional en otra. Los controladores pueden detectar automáticamente las perturbaciones y estabilizar el sistema.
Los investigadores quieren mejorar aún más el sistema de control de LIGO reduciendo este siseo inducido por el controlador, que interfiere con las señales de ondas gravitacionales en la porción de baja frecuencia del rango del observatorio. LIGO detecta ondas gravitacionales con una frecuencia de entre 10 y 5000 hercios (los humanos oímos ondas sonoras con una frecuencia de entre 20 y 20 000 hercios). Este siseo no deseado se encuentra en el rango de entre 10 y 30 hercios, y es aquí donde se detectarían las fusiones de agujeros negros más masivos, así como cerca del inicio de sus espirales de muerte finales (por ejemplo, los famosos » chirridos » que escucha LIGO comienzan en frecuencias más bajas y luego se elevan a un tono más agudo).
Hace unos cuatro años, Jan Harms, exprofesor asistente de investigación de Caltech y actual profesor del Instituto de Ciencias Gran Sasso, contactó con expertos de Google DeepMind para ver si podían ayudar a desarrollar un método de IA que permitiera controlar mejor las vibraciones en los espejos de LIGO. En ese momento, Adhikari se involucró y los investigadores comenzaron a trabajar con Google DeepMind para probar diferentes métodos de IA. Finalmente, utilizaron una técnica llamada aprendizaje por refuerzo, que básicamente enseñó al algoritmo de IA cómo controlar mejor el ruido.
«Este método requiere mucho entrenamiento», dice Adhikari. «Nosotros proporcionamos los datos de entrenamiento y Google DeepMind ejecutó las simulaciones. Básicamente, ejecutaron docenas de simulaciones de LIGO en paralelo. El entrenamiento es como jugar a un juego: se obtienen puntos por reducir el ruido y penalizaciones por aumentarlo. Los jugadores que lo consiguen siguen intentando ganar el juego de LIGO. El resultado es magnífico: el algoritmo suprime el ruido del espejo».
Richard Murray (licenciatura en 1985), profesor de Control y Sistemas Dinámicos y Bioingeniería Thomas E. y Doris Everhart en Caltech, explica que sin IA, los científicos e ingenieros modelan matemáticamente el sistema que desean controlar con gran detalle. «Pero con la IA, si se entrena con un modelo suficientemente detallado, puede aprovechar características del sistema que no se habrían considerado con métodos clásicos», afirma. Experto en teoría de control para sistemas complejos, Murray (que no es autor del presente estudio) desarrolla herramientas de IA para ciertos sistemas de control, como los utilizados en vehículos autónomos.
«Creemos que esta investigación inspirará a más estudiantes a querer trabajar en LIGO y formar parte de esta notable innovación», afirma Adhikari. «Estamos a la vanguardia de lo que es posible en la medición de distancias cuánticas diminutas».
Hasta ahora, el nuevo método de IA se ha probado en LIGO durante tan solo una hora para demostrar su eficacia. El equipo espera realizar pruebas de mayor duración y, finalmente, implementar el método en varios sistemas LIGO. «Esta herramienta cambia nuestra perspectiva sobre las capacidades de los detectores terrestres», afirma Wipf. «Hace que un problema increíblemente complejo sea menos abrumador».
Fotografía de primer plano de LIGO, que utiliza láseres y espejos potentes para detectar ondas gravitacionales en el universo, generadas por eventos como colisiones y fusiones de agujeros negros.Crédito: Caltech/MIT/LIGO Lab
Vista aérea de LIGO Livingston en Luisiana.Crédito: Caltech/MIT/LIGO Lab
Un concepto artístico de cómo los espejos gigantes suspendidos de LIGO le permiten detectar ondas gravitacionales.Crédito: Google DeepMind
El artículo científico titulado «Mejorando el alcance cosmológico de LIGO usando Deep Loop Shaping» fue financiado en parte por la National Science Foundation, que financia LIGO.
Caltech News. W. C. Traducido al español
