Dans une étude récente publiée dans Communication Nature , une équipe internationale de chercheurs de l'Université de Technologie de Tampere (TUT), Finlande, et l'Institut FEMTO-ST de l'Université Bourgogne-Franche Comté, La France, faire un pas important vers l'analyse et la prévisibilité des vagues scélérates qui semblent sortir de nulle part.

Les histoires de vagues océaniques géantes avec un grand pouvoir destructeur sont l'affaire de la légende et du folklore, mais aujourd'hui leur étude scientifique est un domaine critique de la recherche multidisciplinaire couvrant l'océanographie, physique et mathématiques. Un problème particulier auquel sont confrontés les chercheurs est que ces vagues extrêmes surviennent apparemment de manière aléatoire à la surface de l'océan, et il paraît impossible de prévoir les conditions qui peuvent précéder leur apparition. Une difficulté pratique connexe est qu'il n'est pas toujours possible de mesurer complètement de telles ondes, et l'instrumentation disponible ne capture le plus souvent qu'une partie des caractéristiques de l'onde.

Dans des expériences récentes étudiant des ondes lumineuses extrêmes analogues, les chercheurs ont utilisé l'intelligence artificielle pour étudier ce problème, et ont maintenant déterminé une distribution de probabilité qui identifie préférentiellement l'émergence de vagues scélérates. La nouveauté particulière de ce travail est que les chercheurs ont formé un réseau de neurones pour identifier les propriétés particulières du domaine temporel des ondes scélérates avec les intensités les plus élevées et les plus extrêmes à partir d'informations partielles sur les caractéristiques des ondes dans le domaine des fréquences ou des longueurs d'onde.

Les expériences ont été réalisées en injectant des impulsions laser dans un système de fibre optique conçu pour reproduire la propagation des ondes décrite par une équation de Schrödinger non linéaire, un modèle qui peut également s'appliquer aux vagues d'eau. En utilisant un instrument développé spécialement pour mesurer les spectres optiques en temps réel avec une plage dynamique élevée, les chercheurs ont compilé un ensemble de données de milliers de signaux spectraux bruyants à partir d'un processus non linéaire appelé instabilité de modulation, qui serait associé à certaines classes de vagues scélérates sur l'océan.

Bien que les spectres optiques soient faciles à mesurer, ils ne montrent pas directement la présence d'ondes scélérates. Mais en utilisant de puissantes simulations numériques pour entraîner un réseau de neurones, il a été possible de développer un algorithme capable de repérer avec précision les caractéristiques des spectres qui prédisent l'émergence d'une onde scélérate, même si ces caractéristiques étaient essentiellement invisibles à l'œil d'un chercheur.

"Remarquablement, l'algorithme s'est avéré capable de prédire l'intensité maximale d'une onde scélérate associée à une mesure spectrale particulière, même si les expériences n'ont jamais mesuré directement l'intensité de l'onde scélérate, " dit le professeur Goëry Genty, qui a dirigé l'équipe de l'Université de technologie de Tampere.

Les résultats obtenus ont donné une distribution de probabilité pour l'apparition des ondes scélérates optiques et ont également été utilisés pour classer les mesures spectrales en différents ensembles associés à différents types d'ondes scélérates.

"En plus de suggérer que des techniques similaires peuvent être utilisées pour analyser les mesures en temps réel sur les données des vagues océanographiques, les résultats ouvrent de nouvelles perspectives dans tous les domaines de recherche où les observations directes dans le domaine temporel sont difficiles, mais lorsque des données spectrales sont disponibles, " conclut le professeur Dudley, qui dirigeait l'équipe de l'Université Bourgogne-Franche Comté.