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Extreme kosmische Ereignisse wie kollidierende Schwarze Löcher oder die Explosionen von Sternen können Wellen in der Raumzeit verursachen, sogenannte Gravitationswellen. Ihre Entdeckung öffnete ein neues Fenster zum Universum. Um sie zu beobachten, sind ultrapräzise Detektoren erforderlich. Ihre Entwicklung ist nach wie vor für den Menschen eine große Herausforderung. Wissenschaftler*innen am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL) haben sich damit beschäftigt, wie ein künstliches Intelligenzsystem einen unvorstellbar großen Raum möglicher Designs erkunden könnte, um völlig neue Lösungen zu finden. Die Ergebnisse wurden kürzlich in ›Physical Review X‹ veröffentlicht.
Bereits vor über einem Jahrhundert sagte Einstein die Gravitationswellen theoretisch vorher. Direkt nachgewiesen werden konnten sie erst 2016, weil die Entwicklung der nötigen Detektoren äußerst komplex ist. Dr. Mario Krenn, Leiter der Forschungsgruppe ›Labor für künstliche Wissenschaftler‹ am MPL, hat in Kollaboration mit dem Team von LIGO („Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory“), welches diese Detektoren bereits erfolgreich gebaut hat, einen KI-basierten Algorithmus konzipiert. Dieser trägt den Namen ›Urania‹ und entwirft neuartige interferometrische Detektoren für Gravitationswellen. Interferometrie beschreibt ein Messverfahren, das die Interferenz von Wellen, also deren Überlagerung beim Zusammentreffen, nutzt. Das Design von Detektoren erfordert die Optimierung sowohl des Layouts als auch der Parameter. Die Wissenschaftler*innen haben diese Herausforderung in ein kontinuierliches Optimierungsproblem umgewandelt und es mit Methoden gelöst, die auf modernen maschinellen Lerntechniken basieren. Die Forscher*innen haben viele neue experimentelle Designs gefunden, die die besten bekannten Detektoren der nächsten Generation übertreffen. Diese Ergebnisse haben das Potenzial, die Reichweite der detektierbaren Signale um mehr als eine Größenordnung zu verbessern.
Unangepasst und kreativ: Das hat Urania entdeckt
In den Lösungen des Algorithmus haben die Forscher*innen bereits zahlreiche bekannte Techniken wiederentdeckt. ›Urania‹ schlug auch unorthodoxe Designs vor, die das Verständnis der Detektortechnologie verändern könnten. „Nach etwa zwei Jahren der Entwicklung und Anwendung unserer KI-Algorithmen haben wir Dutzende neuer Lösungen entdeckt, die besser zu sein scheinen als experimentelle Entwürfe von menschlichen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Wir stellten uns die Frage, was der Mensch im Vergleich zur Maschine übersehen hatte“, sagt Krenn. Die Forscher*innen haben ihren wissenschaftlichen Ansatz erweitert, um die von der KI entdeckten Tricks, Ideen und Techniken zu verstehen. Viele davon sind ihnen noch immer völlig unverstanden. 50 der leistungsstärksten Entwürfe haben sie in einem öffentlichen ›Detektor-Zoo‹ gesammelt und so der Wissenschaftscommunity zur weiteren Erforschung zur Verfügung gestellt.
Die kürzlich veröffentlichte Arbeit zeigt, dass KI neuartige Detektordesigns entdecken und damit menschliche Forscher*innen dazu anregen kann, neue experimentelle und theoretische Ideen zu erkunden. Im weiteren Sinne deutet sie darauf hin, dass KI eine wichtige Rolle bei der Gestaltung zukünftiger Werkzeuge zur Erforschung des Universums spielen könnte, von den kleinsten bis zu den größten Maßstäben. „Wir befinden uns in einer Ära, in der Maschinen neue Lösungen in der Wissenschaft entdecken können, die besser sind als die von Menschen erdachten, und die Aufgabe des Menschen besteht darin, zu verstehen, was die Maschine getan hat. Dies wird sicherlich ein sehr wichtiger Teil der Zukunft der Wissenschaft werden“, so Krenn.
Dr. Mario Krenn
Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, Erlangen
Forschungsgruppenleiter ›Labor für künstliche Wissenschaftler‹
https://www.mpl.mpg.de / mario.krenn@mpl.mpg.de
Mario Krenn, Yehonathan Drori, Rana X Adhikari. Digital Discovery of interferometric Gravitational Wave Detectors. In Physical Review X (2025).
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevX.15.021012
llustration des ersten Gravitationswellenereignisses, das von LIGO beobachtet wurde. Die erfassten W ...
Aurore Simmonet (Sonoma State University), Courtesy Caltech/MIT/LIGO Laboratory
Dr. Mario Krenn, Forschungsgruppenleiter am MPL.
Stephan Spangenberg
Criteria of this press release:
Journalists
Information technology, Physics / astronomy
transregional, national
Scientific Publications
German
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