L'illustrazione di un artista di due buchi neri a spirale insieme, creando onde gravitazionali nello spaziotempo.
(Immagine: © NASA)
Un nuovo programma software che utilizza l'intelligenza artificiale può aiutare a rilevare e analizzare rapidamente le onde gravitazionali - increspature nel tessuto cosmico dello spazio-tempo - da eventi catastrofici come collisioni tra buchi neri, secondo un nuovo studio.
La nuova tecnica, chiamata deep filtering, può aiutare i ricercatori a vedere eventi catastrofici che il software attuale potrebbe non rilevare, come le fusioni titaniche nel cuore delle galassie, secondo gli autori di un nuovo documento che descrive il lavoro.
Le onde gravitazionali sono increspature nel tessuto dello spazio e del tempo. Sono generati quando qualsiasi oggetto con massa si muove e viaggiano alla velocità della luce, allungando e stringendo lo spazio-tempo lungo la strada.
Le onde gravitazionali sono straordinariamente difficili da rilevare e quelle che gli scienziati possono rilevare provengono da oggetti eccezionalmente massicci. Sebbene l'esistenza delle onde gravitazionali sia stata predetta per la prima volta da Albert Einstein nel 1916, gli scienziati hanno impiegato oltre un secolo per rilevare con successo le prime prove dirette delle onde gravitazionali, usando il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) per individuare le conseguenze gravitazionali di due buchi neri che si rompono insieme.
La scoperta delle onde gravitazionali ha valso a tre scienziati il Premio Nobel 2017 per la fisica nell'ottobre 2017. Da allora, i ricercatori hanno anche rilevato onde gravitazionali da una coppia in collisione di stelle morte chiamate stelle di neutroni - scoperte che avrebbero potuto aiutare a risolvere il mistero di decenni di come sono stati creati alcuni degli elementi pesanti dell'universo.
Tuttavia, il software che attualmente analizza i segnali rilevati dagli osservatori delle onde gravitazionali può richiedere diversi giorni per restringere il tipo di evento che potrebbe aver generato quelle onde gravitazionali, ha detto il co-autore dello studio Eliu Huerta a Space.com in un'intervista.
Inoltre, questo software è specializzato per rilevare le fusioni tra oggetti che si trovano in orbite approssimativamente circolari tra loro e relativamente isolate dall'ambiente circostante, secondo Huerta, un teorico astrofisico presso l'Università dell'Illinois presso il Centro nazionale per applicazioni supercomputer di Urbana-Champaign. Il software probabilmente non riuscirà a rilevare le onde gravitazionali dagli oggetti nelle aree in cui le stelle sono densamente raggruppate insieme, come i nuclei delle galassie, in cui le spinte gravitazionali delle stelle vicine possono distorcere le orbite da circolari a più "eccentriche" o di forma ovale, Huerta disse.
Ora, gli autori dello studio suggeriscono che il software di intelligenza artificiale potrebbe aiutare a velocizzare notevolmente l'analisi delle onde gravitazionali, nonché "[abilitare] il rilevamento di nuove classi di sorgenti di onde gravitazionali che potrebbero passare inosservate con gli algoritmi di rilevamento esistenti", Huerta ha detto a Space.com.
Il nuovo software di intelligenza artificiale coinvolge reti neurali artificiali, in cui i componenti artificiali chiamati "neuroni" vengono alimentati e cooperano per risolvere un problema, come il riconoscimento di un'immagine. Una rete neurale regola quindi ripetutamente le connessioni tra i suoi neuroni e vede se questi nuovi schemi di connessione sono migliori per risolvere il problema. Nel tempo, questo processo di tentativi ed errori rivela quali modelli sono i migliori nelle soluzioni informatiche, imitando il processo di apprendimento nel cervello umano.
Mentre le tecniche convenzionali potrebbero richiedere diversi giorni per restringere le caratteristiche degli eventi gravitazionali dai dati del rivelatore, le reti neurali all'avanguardia note come "reti neurali profonde convoluzionali" potrebbero farlo entro un secondo, gli scienziati hanno scoperto. Inoltre, mentre i metodi convenzionali richiederebbero migliaia di CPU (le unità centrali di elaborazione dei computer) per svolgere questo compito, la nuova tecnica ha funzionato "anche con una singola CPU, cioè con il tuo smartphone o un laptop standard", ha affermato Huerta.
Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che questa nuova tecnica potrebbe anche analizzare rapidamente le fusioni che sono più complesse di quanto il software attuale possa analizzare, come le fusioni che coinvolgono buchi neri in orbite eccentriche. Il nuovo software aveva anche tassi di errore più bassi ed era più bravo a individuare anomalie nei dati.
Huerta e Daniel George, un astrofisico computazionale presso l'Università dell'Illinois presso il National Center for Supercomputing Applications di Urbana-Champaign, hanno dettagliato i loro risultati online il 27 dicembre sulla rivista Physics Letters B.
