KI-gestützte Detektordesigns revolutionieren die Gravitationswellenforschung

MÜNCHEN (IT BOLTWISE) – Die Entdeckung von Gravitationswellen hat die Astronomie revolutioniert und neue Möglichkeiten zur Erforschung des Universums eröffnet. Doch die Beobachtung dieser Wellen erfordert extrem präzise Detektoren, deren Design eine komplexe Herausforderung darstellt.

Die Entdeckung von Gravitationswellen im Jahr 2016 markierte einen Meilenstein in der Astronomie und eröffnete ein neues Fenster zum Universum. Um diese Wellen zu beobachten, sind jedoch Detektoren von höchster Präzision erforderlich. Ein Forschungsteam am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts hat nun eine Künstliche Intelligenz entwickelt, die den riesigen Raum möglicher Detektordesigns erkunden soll, um innovative Lösungen zu finden.

Bereits vor über einem Jahrhundert sagte Albert Einstein die Existenz von Gravitationswellen voraus. Der direkte Nachweis gelang jedoch erst 2016, da die Entwicklung der notwendigen Detektoren äußerst komplex ist. Dr. Mario Krenn, Leiter der Forschungsgruppe „Labor für künstliche Wissenschaftler“ am Max-Planck-Institut, hat in Zusammenarbeit mit dem Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) einen KI-basierten Algorithmus namens „Urania“ entwickelt. Dieser Algorithmus entwirft neuartige interferometrische Detektoren für Gravitationswellen.

Interferometrie ist ein Messverfahren, das die Interferenz von Wellen nutzt, um präzise Messungen durchzuführen. Das Design solcher Detektoren erfordert die Optimierung sowohl des Layouts als auch der Parameter. Die Forschenden haben diese Herausforderung in ein kontinuierliches Optimierungsproblem umgewandelt und es mit modernen maschinellen Lerntechniken gelöst. Dadurch wurden viele neue experimentelle Designs gefunden, die die besten bekannten Detektoren der nächsten Generation übertreffen könnten.

Die Ergebnisse des Teams haben das Potenzial, die Reichweite der detektierbaren Signale um mehr als eine Größenordnung zu verbessern. In den Lösungen des Algorithmus hat das Team bereits zahlreiche bekannte Techniken wiederentdeckt. „Urania“ schlug aber auch unorthodoxe Designs vor, die das Verständnis der Detektortechnologie verändern könnten. „Nach etwa zwei Jahren der Entwicklung und Anwendung unserer KI-Algorithmen haben wir Dutzende neuer Lösungen entdeckt, die besser zu sein scheinen als experimentelle Entwürfe von menschlichen Wissenschaftlern“, sagt Krenn.

Die Forscherinnen und Forscher haben ihren wissenschaftlichen Ansatz erweitert, um die von der KI entdeckten Tricks, Ideen und Techniken zu verstehen. Viele davon sind ihnen noch immer völlig unverstanden. 50 der leistungsstärksten Entwürfe haben sie in einem öffentlichen „Detektor-Zoo“ gesammelt und der Wissenschaftscommunity zur weiteren Erforschung zur Verfügung gestellt. Die kürzlich veröffentlichte Studie zeigt, dass KI neuartige Detektordesigns entdecken und damit menschliche Forschende dazu anregen kann, neue experimentelle und theoretische Ideen zu erkunden.

Im weiteren Sinne deutet sie darauf hin, dass KI eine wichtige Rolle bei der Gestaltung zukünftiger Werkzeuge zur Erforschung des Universums spielen könnte, von den kleinsten bis zu den größten Maßstäben. „Wir befinden uns in einer Ära, in der Maschinen neue Lösungen in der Wissenschaft entdecken können, die besser sind als die von Menschen erdachten, und die Aufgabe des Menschen besteht darin, zu verstehen, was die Maschine getan hat. Dies wird sicherlich ein sehr wichtiger Teil der Zukunft der Wissenschaft werden“, so Krenn. Die Ergebnisse des Teams wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Physical Review X veröffentlicht.

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