KI! Das ist eine gute Sache, denn es kann Astronomen helfen, Gravitationswellen zu finden

Hey, HAL, kannst du uns helfen, Einschläge Schwarzer Löcher zu finden?

Wissenschaftliche Visualisierung von numerischen Relativitätssimulationen, die die konsistente Kollision zweier Schwarzer Löcher und die Verschmelzung binärer Schwarzer Löcher von GW170814 darstellen. (Bildnachweis: Argonne Leadership Computing Facility, Visualization and Data Analysis Group [Janet Knowles, Joseph Insley, Victor Mateevitsi, Silvio Rizzi])

Während Wissenschaftler das Universum nach schwer fassbaren Gravitationswellen absuchen, könnte ein neues Werkzeug ihre Entdeckungen voranbringen: künstliche Intelligenz.

Gravitationswellen sind Kräuselungen in der Raumzeit, die auftreten, wenn massereiche Objekte beschleunigt oder gestört werden, etwa bei der Kollision eines Schwarzen Lochs oder eines Neutronensterns. Mithilfe der Theorie Albert Einsteins entdeckten Forscher im Jahr 2015 mit LIGO (Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) erstmals Gravitationswellen und bestätigten damit deren Existenz. Jetzt, sechs Jahre später, haben wir mindestens 50 Gravitationswellen entdeckt.

Doch während sie weiterhin Gravitationswellen registrieren, glauben einige Wissenschaftler, dass sie durch den Einsatz von KI-Technologie Gravitationswellensignale schneller erkennen und somit häufiger Gravitationswellen entdecken können. In einer neuen Studie zeigen Forscher, wie dies mithilfe von Supercomputern und KI-Techniken möglich sein könnte.

„In dieser Studie haben wir die Leistungsfähigkeit von KI und Supercomputern kombiniert, um zeitnahe und relevante Big-Data-Experimente durchzuführen. Wir bestätigen damit nicht nur, dass KI neue Lösungen für große Herausforderungen bieten kann, sondern machen KI-Forschung auch vollständig reproduzierbar“, sagte Eliu Huerta, Informatiker am Argonne National Laboratory des Energieministeriums, der die Studie gemeinsam mit Partnern von Argonne, der University of Chicago, der University of Illinois at Urbana-Champaign, NVIDIA und IBM leitete, in einer Forschungsarbeit.

In dieser neuen Studie entwickelte das Team ein KI-Framework, das es zur schnelleren, skalierbareren und reproduzierbaren Erkennung von Gravitationswellen einsetzen möchte. Dem gleichen Bericht zufolge ist das Team davon überzeugt, dass dieses Framework schneller als bestehende Methoden ist und zur Verarbeitung von LIGO-Daten nur die einfachsten und kostengünstigsten GPUs erfordert. Zur Referenz: Diese Art von GPU wird häufig in Videospielsystemen verwendet.

Mit dem KI-Framework verarbeitete das Team einen ganzen Monat LIGO-Daten im Jahr 2017 in weniger als sieben Minuten und identifizierte alle vier Gravitationswellensignale, die durch die Verschmelzung Schwarzer Löcher erzeugt wurden. Aus demselben Bericht geht außerdem hervor, dass diese vier Signale von Wissenschaftlern schon seit langem definiert wurden.

„Als Informatiker begeistert mich an diesem Projekt am meisten, dass KI-Methoden mit den richtigen Werkzeugen ein ganz natürlicher Teil der wissenschaftlichen Arbeit werden können. So können die Forscher ihre Arbeit schneller und besser erledigen und die menschliche Intelligenz eher ergänzen als ersetzen“, sagte Ian Foster, Leiter der Abteilung für Datenwissenschaft und Lernen bei Argonne, im selben Bericht.

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Ein Schwarzes Loch ist ein extrem versteckter Bereich im Universum. Es können keine Partikel, elektromagnetischen Strahlen oder Licht entkommen. Die allgemeine Relativitätstheorie beweist, dass ausreichend dichte Masse die Raumzeit verzerren und ein schwarzes Loch bilden kann. Die Grenze, von der es kein Entkommen gibt, wird als Dinggrenze bezeichnet. Obwohl es einen enormen Einfluss auf das Schicksal und die Umgebung der Objekte hat, die es durchqueren, verfügt es gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie über keine festen erkennbaren Eigenschaften. In vielerlei Hinsicht sieht ein Schwarzes Loch wie ein idealer schwarzer Körper aus, der kein Licht reflektiert.

Darüber hinaus sagt die Quantenfeldtheorie in gekrümmter Raumzeit voraus, dass der Ereignishorizont Hawking-Strahlen aussendet, deren Spektrum dem eines schwarzen Körpers entspricht, dessen Masse umgekehrt proportional zu seiner Temperatur ist. Bei stellaren Schwarzen Löchern beträgt diese Temperatur etwa 1/100 Millionstel Kelvin, was es im Wesentlichen unmöglich macht, sie direkt zu beobachten.

In der allgemeinen Relativitätstheorie sind Gravitationswellen Kräuselungen in der Raumzeit. Wenn ein Stein in einen Teich geworfen wird, entstehen auf der Teichoberfläche Wellen, die sich von der Stelle aus, an der der Stein ins Wasser fällt, nach außen ausbreiten. Wenn sich ein massives Objekt mit Beschleunigung bewegt, werden in der Raumzeit Wellen erzeugt, die sich vom Standort des massiven Objekts nach außen ausbreiten. Diese Kräuselungen in der Raumzeit sind Gravitationswellen[1][2]. Da die allgemeine Relativitätstheorie die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Gravitationswechselwirkungen auf die Lichtgeschwindigkeit begrenzt, führt die Induktion von Schwerkraft zwischen zwei kosmischen Objekten zu Gravitationswellen. Wir können uns vorstellen, dass, wenn ein schwerer Ball auf ein Flugzeug gelegt und bewegt wird, es einige Zeit dauert, bis sich die Raum-Zeit-Verzerrungswelle des Flugzeugs ausbreitet und dann einen anderen Ball in der Ferne beeinflusst. Im Gegensatz dazu breiten sich Wechselwirkungen in Newtons Gravitationstheorie mit unendlicher Geschwindigkeit aus, sodass Gravitationswellen nach dieser Theorie nicht existieren[3].

VON: Chelsea Gohd

FY: ISHUCA · Weide

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