为帮助天文学家研究宇宙中最强大的过程，我们的团队一直在利用 AI 稳定有史以来最灵敏的观测仪器之一。

在今天发表于 Science 的一篇论文中，我们介绍了 Deep Loop Shaping，这是一种新型 AI 方法，将开启下一代引力波科学。Deep Loop Shaping 可降低噪声并改进天文台反馈系统中的控制，帮助稳定用于测量引力波的组件——引力波是时空结构中极其微小的涟漪。

这些波由中子星碰撞和黑洞并合等事件产生。我们的方法将帮助天文学家收集关键数据，用于理解宇宙的动力学与形成，并更好地检验物理学和宇宙学的基本理论。

我们与由 Caltech 运营的 LIGO（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，激光干涉引力波天文台）以及 GSSI（Gran Sasso Science Institute）合作开发了 Deep Loop Shaping，并在路易斯安那州利文斯顿的天文台验证了这一方法。

LIGO 以极高精度测量引力波的性质和起源。但即使是来自 100 英里外墨西哥湾海岸的海浪冲击所造成的最轻微振动，也可能干扰其测量。为实现运行，LIGO 依赖数千个控制系统，使每个部件保持近乎完美的对准，并通过持续反馈适应环境扰动。

Deep Loop Shaping 将 LIGO 中最不稳定、最困难的反馈回路的噪声水平降低了 30 到 100 倍，提高了其高灵敏度干涉仪反射镜的稳定性。将我们的方法应用于 LIGO 的所有反射镜控制回路，可能帮助天文学家每年探测并收集数百个更多事件的数据，且细节远为丰富。

未来，Deep Loop Shaping 还可应用于许多其他工程问题，包括振动抑制、噪声消除，以及航空航天、机器人和结构工程中重要的高度动态或不稳定系统。

跨越宇宙进行测量

LIGO 利用激光的干涉来测量引力波的性质。通过研究这些性质，科学家可以弄清它们由什么引起、来自何处。该天文台的激光从相距 4 公里的反射镜上反射，这些反射镜位于世界最大的真空腔室中。

自 2015 年首次探测到由一对碰撞黑洞产生的引力波、验证 Albert Einstein 广义相对论的预言以来，LIGO 的测量深刻改变了我们对宇宙的理解。

借助这一天文台，天文学家已探测到数百起黑洞和中子星碰撞，证明了双黑洞系统的存在，观测到中子星碰撞中形成的新黑洞，研究了金等重元素的生成，等等。

天文学家已经对最大和最小的黑洞了解甚多，但我们对中等质量黑洞的数据仍然有限——它们被认为是理解星系演化的“缺失环节”。

迄今为止，LIGO 只能观测到极少数这类系统。为帮助天文学家捕捉这一现象的更多细节和数据，我们致力于改进控制系统中最困难的部分，并扩大我们能够看到这些事件的距离。

降低噪声并稳定系统

当引力波穿过 LIGO 的两条 4 公里长臂时，它们会扭曲臂间的空间，改变两端反射镜之间的距离。这些极其微小的长度差异通过光干涉测量，精度达到 10^-19 米，相当于质子大小的 1/10,000。对于如此微小的测量，LIGO 的探测器反射镜必须保持极其静止，并与环境扰动隔离。

这需要一个用于被动机械隔离的系统，以及另一个用于主动抑制振动的控制系统。控制过少会导致反射镜摆动，使任何测量都无法进行。但控制过多实际上会放大系统中的振动，而不是抑制振动，从而在某些频率范围内淹没信号。

这些被称为“控制噪声”的振动，是提升 LIGO 观测宇宙能力的关键障碍。我们的团队设计了 Deep Loop Shaping，以超越目前运行中的线性控制设计方法等传统方法，使控制器不再成为显著噪声来源。

更有效的控制系统

Deep Loop Shaping 利用一种采用频域奖励的强化学习方法，超越了最先进的反馈控制性能。

在模拟的 LIGO 环境中，我们训练了一个控制器，使其尽量避免在用于测量引力波的观测频段内放大噪声——在这一频段中，我们需要反射镜保持静止，才能观测到质量最高达数百个太阳质量的黑洞并合等事件。

在频域奖励的引导下，通过反复交互，控制器学会在观测频段中抑制控制噪声。换言之，我们的控制器学会在不引入有害控制噪声的情况下稳定反射镜，将噪声水平降低十倍或更多，低于由反射镜反射光的辐射压量子涨落所造成的振动水平。

在仿真和硬件中均表现强劲

我们在美国路易斯安那州利文斯顿的真实 LIGO 系统上测试了我们的控制器，发现它们在硬件上的表现与仿真中一样出色。

我们的结果显示，Deep Loop Shaping 对噪声的控制比现有控制器好 30 到 100 倍，并首次使 LIGO 中最不稳定、最困难的反馈回路不再成为显著噪声来源。

在反复实验中，我们确认我们的控制器能使天文台系统在较长时间内保持稳定。

更好地理解宇宙的本质

Deep Loop Shaping 通过解决研究引力波的关键障碍，推动了当前天体物理学可能性的边界。

将 Deep Loop Shaping 应用于 LIGO 的整个反射镜控制系统，有望消除控制系统自身产生的噪声，为扩展其宇宙学观测范围铺平道路。

除了显著提升现有引力波天文台对更远、更暗源的测量能力之外，我们预计这项工作将影响未来地面和空间天文台的设计，并最终帮助首次连接起贯穿宇宙的缺失环节。

进一步了解我们的工作

致谢

本研究由 Jonas Buchli、Brendan Tracey、Tomislav Andric、Christopher Wipf、Yu Him Justin Chiu、Matthias Lochbrunner、Craig Donner、Rana X Adhikari、Jan Harms、Iain Barr、Roland Hafner、Andrea Huber、Abbas Abdolmaleki、Charlie Beattie、Joseph Betzwieser、Serkan Cabi、Jonas Degrave、Yuzhu Dong、Leslie Fritz、Anchal Gupta、Oliver Groth、Sandy Huang、Tamara Norman、Hannah Openshaw、Jameson Rollins、Greg Thornton、George van den Driessche、Markus Wulfmeier、Pushmeet Kohli、Martin Riedmiller 完成，是 LIGO、Caltech、GSSI 和 GDM 的合作成果。

我们感谢出色的 LIGO 仪器团队，他们不懈努力，保持天文台运行并支持我们的实验。