あい！これは天文学者が重力波を見つけるのに役立つので良いものです

ねえ、HAL、ブラックホールの衝突を見つけるのを手伝ってくれませんか?

2つのブラックホールの一貫した衝突とGW170814の連星ブラックホールの合体を示す数値相対論シミュレーションの科学的視覚化。 (画像提供: アルゴンヌ リーダーシップ コンピューティング施設、可視化およびデータ分析グループ [Janet Knowles、Joseph Insley、Victor Mateevitsi、Silvio Rizzi])

科学者たちが宇宙で捉えどころのない重力波を探索する中、新たなツールが彼らの発見をさらに促進するかもしれない。それは人工知能だ。

重力波は、ブラックホールや中性子星の衝突など、巨大な物体が加速されたり乱されたりしたときに発生する時空のさざ波です。アルバート・アインシュタインの理論に基づき、研究者らは2015年にLIGO（先進レーザー干渉計重力波観測所）で初めて重力波を発見し、その存在を確認した。 6年後の今、私たちは少なくとも50個の重力波を検出しました。

しかし、重力波の検出が進むにつれ、AI技術を活用すれば、重力波の信号をより早く検知し、より頻繁に重力波を発見できるようになると考える科学者もいる。新しい研究で、研究者たちはスーパーコンピューターと AI 技術を使ってこれが可能になる方法を示しています。

「この研究では、AIとスーパーコンピュータの力を組み合わせ、タイムリーで適切なビッグデータ実験の解決に役立てました。AIが大きな課題に対する新しい解決策を提供できることを確認しているだけでなく、AI研究を完全に再現可能にしています」と、アルゴンヌ、シカゴ大学、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校、NVIDIA、IBMのパートナーとともにこの研究を主導した米国エネルギー省アルゴンヌ国立研究所のコンピュータ科学者、エリウ・ウエルタ氏は研究論文で述べています。

この新たな研究では、研究チームは、より高速で、よりスケーラブルで、再現性の高い重力波検出に適用できることを期待する AI フレームワークを開発しました。同レポートによると、チームはこのフレームワークは既存の方法よりも高速であり、LIGO データを処理するために必要なのは最も基本的で安価な GPU のみであると考えています。参考: この種類の GPU は、ビデオ ゲーム システムでよく使用されます。

研究チームはAIフレームワークを使用して、2017年のLIGOデータ1か月分を7分未満で処理し、ブラックホールの合体によって生成された4つの重力波信号をすべて特定しました。同じレポートによると、これら 4 つの信号は科学者によって長い間定義されてきました。

「コンピューター科学者として、このプロジェクトで私が最も興奮しているのは、適切なツールがあれば、AI手法が科学研究のごく自然な一部となり、人間の知能に取って代わるのではなく、それを補強することで、研究をより速く、より良く行うことができるようになることだ」と、アルゴンヌ国立研究所のデータサイエンスおよび学習部門のディレクター、イアン・フォスター氏は同じ報告書の中で述べている。

関連知識

ブラックホールは宇宙の超隠れた領域です。いかなる粒子、電磁線、光も逃げることはできません。一般相対性理論は、十分な密度の質量が時空を歪ませ、ブラックホールを形成できることを証明しています。逃れることのできない境界を物境界といいます。一般相対性理論によれば、それを通過する物体の運命と環境に大きな影響を与えますが、検出可能な固定された特性はありません。多くの点で、ブラックホールは光を一切反射しない理想的な黒体のように見えます。

さらに、曲がった時空における量子場理論では、事象の地平線がホーキング線を放射すると予測されており、そのスペクトルは黒体のスペクトルと同じで、質量は温度に反比例します。恒星ブラックホールの場合、この温度は1ケルビンの約1億分の1であり、直接観測することは基本的に不可能です。

一般相対性理論では、重力波は時空のさざ波です。池に石を投げ込むと、池の表面に波紋が生まれ、石が水に入った地点から外側に向かって波紋が広がります。質量の大きい物体が加速しながら移動すると、時空に波紋が発生し、その波紋は質量の大きい物体の位置から外側に伝播します。これらの時空のさざ波が重力波である[1][2]。一般相対性理論では重力相互作用の伝播速度は光速に制限されるため、2 つの宇宙物体間の重力の誘導によって重力波が発生します。重いボールを平面上に置いて動かすと、その平面の時空歪み波が広がって遠くにある別のボールに影響を及ぼすまでに、ある程度の時間がかかることが想像できます。対照的に、ニュートンの重力理論における相互作用は無限の速度で伝播するため、この理論では重力波は存在しない[3]。

著者: チェルシー・ゴッド

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