05.06.2023

Tiefe Inferenz für Gravitationswellen

Selbstkontrollierter Algorithmus liefert gute Interpretation von Gravitationswellendaten.

Wenn zwei schwarze Löcher miteinander verschmelzen, rasen die dabei abgestrahlten Gravitations­wellen mit Licht­geschwindigkeit durchs All. Treffen sie irgendwann auf die Erde, können große Detektoren wie LIGO in den USA, Virgo in Italien und KAGRA in Japan die Signale auffangen. Durch Vergleich der Messdaten mit theoretischen Vorhersagen lassen sich dann die Eigenschaften der schwarzen Löcher herausfinden: Größe, Eigen­drehimpuls, Ausrichtung, Position am Himmel und Entfernung von der Erde.

 

Abb.: Durch den Vergleich mit simulierten Wellen­formen überprüft das...
Abb.: Durch den Vergleich mit simulierten Wellen­formen überprüft das neuronale Netz DINGO seine eigenen Ergebnisse. (Bild: M. Dax, MPI-IS)

Ein Team der Abteilung für Empirische Inferenz des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS) in Tübingen und der Abteilung für Astro­physikalische und Kosmologische Relativitäts­theorie am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut/AEI) in Potsdam hat jetzt ein sich selbst kontrollierendes Deep Learning System entwickelt, das sehr präzise Informationen aus Gravitations­wellen­messungen herausfiltert. Dabei überprüft das System selbst seine eigenen Vorhersagen über die Parameter der verschmelzenden schwarzen Löcher – im wahrsten Sinne des Wortes ein tiefes neuronales Netz mit doppeltem Boden. 42 gemessene Gravitationswellen verschmelzender schwarzer Löcher wurden mit dem Algorithmus erfolgreich analysiert: Beim Vergleich mit rechen­intensiven Standard­algorithmen waren die Ergebnisse nicht zu unterscheiden.

Die Forscher verwenden das von ihnen entwickelte tiefe neuronale Netz namens DINGO (Deep INference for Gravitational-wave Observations) zur Analyse der Daten. DINGO wurde darauf trainiert, die Gravitations­wellen­parameter aus den Messdaten auszulesen. Mit vielen Millionen simulierter Signale verschieden zusammen­gesetzter Doppelsysteme lernte das Netzwerk, echte, tatsächlich gemessene Gravitations­wellen­daten zu interpretieren.

Ob das tiefe neuronale Netz die Informationen korrekt ausliest, ist allerdings auf den ersten Blick nicht erkennbar. Ein Nachteil herkömmlicher Deep Learning Systeme ist nämlich, dass sie Ergebnisse liefern, die selbst dann plausibel klingen, wenn sie falsch sind. Deswegen haben die Forscher des MPI-IS und des AEI den Algorithmus um eine Kontroll­funktion erweitert. Maximilian Dax, Doktorand der Abteilung für Empirische Inferenz am MPI-IS und Erstautor der Publikation erläutert: „Wir haben ein Netz mit doppeltem Boden entwickelt: Zunächst berechnet der Algorithmus aus der gemessenen Gravitationswelle die Eigenschaften der schwarzen Löcher. Aus diesen berechneten Parametern wird ein Gravitations­wellen­signal simuliert, und anschließend mit der gemessenen Gravitations­welle verglichen. Das tiefe neuronalen Netz kann also seine eigenen Resultate gegenchecken und im Zweifelsfall korrigieren.“

Der Algorithmus kontrolliert sich so selbst und ist dadurch deutlich zuverlässiger als bisherige Methoden des maschinellen Lernens. Und nicht nur das: „Überraschenderweise entdeckten wir, dass der Algorithmus oftmals in der Lage ist, ungewöhnliche Ereignisse zu erkennen, nämlich echte Daten, die nicht mit unseren theoretischen Modellen übereinstimmen. Diese Informationen können für die schnelle Kennzeichnung von Daten genutzt werden, die genauer untersucht werden sollen“, so Stephen Green, Mit-Erstautor und ehemals Wissenschaftler am AEI, der jetzt an der Universität Nottingham forscht.

„Wir liefern Garantien für die Genauigkeit unserer Machine Learning Methode – etwas, das es sonst im Forschungsfeld Deep Learning fast nie gibt. Damit wird es für die wissenschaftliche Community attraktiv, den Algorithmus für die Analyse der Gravitations­wellen­daten einzusetzen“, sagt Alessandra Buonanno, Mitautorin und Direktorin der Abteilung für Astro­physikalische und Kosmologische Relativitäts­theorie am AEI. Wissenschaftler aus der ganzen Welt erforschen Gravitations­wellen in großen Kollaborationen, etwa in der LIGO Scientific Collaboration (LSC), in der über 1500 Forscher organisiert sind.

Bernhard Schölkopf, Direktor der Abteilung für Empirische Inferenz am MPI-IS, fügt hinzu: „Heute analysiert DINGO Gravitations­wellendaten – aber solch eine sich selbst kontrollierende und korrigierende Methode ist auch für andere wissenschaftliche Anwendungs­bereiche interessant, bei denen es entscheidend ist, die Richtigkeit von ‚Black-Box‘-Methoden neuronaler Netze überprüfen zu können.“

MPI-IS / DE

 

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