пресс-центр

Звездное открытие: искусственный интеллект предоставляет новые возможности в изучении космоса

Наше понимание устройства вселенной в ближайшее время будет развиваться с невероятной скоростью, благодаря новому исследованию, которое проводят ученые из Национального центра супервычислительных приложений (NCSA) в Иллинойском университете в Урабана-Шампейн.

Ученые из NCSA впервые использовали GPU-ускоренные алгоритмы глубокого обучения для обнаружения и анализа гравитационных волн, колебания в структуре пространства и времени, вызванных взрывами звезд, столкновениями черных дыр и даже зарождением самой вселенной.

Их работа, в рамках которой используется моделирование на традиционных суперкомпьютерах, предназначенных для обучения искусственного интеллекта, способна ускорить научные открытия. Это возможно благодаря сокращению затрачиваемого времени и вычислительных ресурсов, необходимых для анализа гравитационных волн и астрономических событий, вызвавших их. В результате исследователи могут обнаружить волны, которые ранее оставались незамеченным, и более глубоко исследовать их, что приближает нас к пониманию того, как функционирует наша вселенная.

«Вероятно, ученые смогут найти гравитационные волны, которые не были предсказаны общей теорией относительности Эйнштейна, - рассказал Элиу Уэрта (Eliu Huerta), астрофизик, возглавляющий исследовательскую группу в NSCA. - Возможно, даже появится потребность в новых теориях, объясняющих астрономические явления».

Работа, завоевавшая Нобелевскую премию

Альберт Эйнтштейн предсказал существование гравитационных волн более века назад. Но впервые они были обнаружены в 2015 году с помощью лазеро-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO). Это открытие принесло трем создателям LIGO Нобелевскую премию по физике в 2017 году. (Читайте «Ученые-физики получили Нобелевскую премию за обнаружение гравитационных волн с помощью GPU».)

Гравитационные волны возникают вследствие таких явлений, как, например, столкновение черных дыр, которое может происходить от Земли на расстоянии миллиардов световых лет. Волны движутся со скоростью света и их невероятно трудно обнаружить. Обсерватория LIGO, названная самым чувствительным в мире научным инструментом, фиксирует вибрации Земли, начиная от землетрясений и заканчивая движением транспорта и даже людей в округе. Вручную разработанные алгоритмы, фильтрующие внешние шумы и изолирующие сигналы от гравитационных волн из данных, собранных LIGO, требуют невероятной вычислительной мощности.

По словам Уэрты, детальный анализ может занимать от нескольких дней до месяцев и требует привлечения большого числа специализированных суперкомпьютеров. И даже в этом случае есть возможность пропустить сигналы, генерируемые астрономическими феноменами, которые не учитывают существующие фильтры.

«Глубокое обучение в корне меняет то, как мы используем вычислительные ресурсы и какой наукой занимаемся», - сказал Дэниэл Джордж (Daniel George), аспирант из Иллинойского университета в Урбана-Шампейн, работающий с Уэртой.

Наука со скоростью света

Уэрта и Джордж смоделировали столкновение черных дыр на суперкомпьютере Blue Waters, оснащенном GPU, а затем использовали реальные данные, полученные в LIGO, и систему NVIDIA DGX-1, чтобы натренировать нейронную сеть, способную заменить традиционные фильтры. Применение этого метода на практике и использование для инференса фреймворка NVIDIA TensorRT показало скорость анализа секунды данных менее чем за одну миллисекунду.

Проведенные исследователями эксперименты доказали, что их модель, получившая название «Глубокая фильтрация», работает значительно быстрее и точнее, чем существующий алгоритм машинного обучения. Также, по словам исследователей, он более устойчив к ошибкам.

Статья о проделанной работе, уже доступная онлайн, в марте будет опубликована в журнале Physics Letters B.

«Большой взрыв» в астрономии

Новая технология, разработанная в NCSA, может привести нас к новой эпохе в астрономии, где объединение LIGO с другими инструментами позволит понять тайны нашей вселенной. Это всего лишь один из примеров, как искусственный интеллект ускоряет научные открытия в таких областях, как нейтринная физикабиология и мееорология.

Эпоха так называемой многоканальной астрофизики началась в августе прошлого года, когда ученые зафиксировали гравитационные и световые волны от одного источника – столкновения двух нейтронных звезд.

Получив сигнал из LIGO, исследователи в 70 обсерваториях по всему миру с помощью мощных телескопов смогли наблюдать волны электромагнитного спектра, начиная от гамма-лучей и заканчивая ультрафиолетовым излучением и радиоволнами.

Центр гравитации

Исследование астрономических явлений с разных сторон напоминает изучение мира разными органами чувств: оно позволяет получить более точную картину происходящего. Однако, чтобы получить эту картину, ученым необходимо идентифицировать гравитационные волны в реальном времени, быстро определять их источник и описывать их свойства. На сегодняшний день это сложная и трудоемкая задача.

Уэрта и Джордж работают над расширением возможностей "Глубокой фильтрации", чтобы также обрабатывать электромагнитные волны.

"Мы пытаемся сделать работу нейронной сети настолько быстрой, чтобы в LIGO могли мгновенно указать, куда необходимо навести телескоп, - рассказал Уэрта. - Наблюдая одновременно за гравитационными и световыми волнами, мы можем улучшить свое понимание того, как взаимодействуют фундаментальные силы вселенной.

Подробнее читайте в недавно опубликованных статьях исследователей:


* Основное изображение статьи является художественной иллюстрацией столкновения двух нейтронных звезд. (Авторы: NSF/LIGO/Государственный университет Сономы)