Algoritmos que montaram 1ª imagem de um buraco negro foram criados com ajuda de pesquisadora de 29 anos

A primeira imagem já feita de um buraco negro na história da humanidade foi divulgada mundialmente essa semana. Enquanto isso, Katherine Louise Bouman atualizava sua foto de perfil em uma rede social para uma imagem dela em frente a um computador na qual um programa processava a imagem histórica.

“Observando sem acreditar enquanto a primeira imagem que já fiz de um buraco negro estava no processo de reconstrução”, escreveu ela na legenda da foto.

Formada em engenharia elétrica e ciência da computação pelo Massachussets Institute of Technology (MIT), nos Estados Unidos, Bouman tem 29 anos, segundo o jornal “The Washington Post”, que a entrevistou na tarde desta quarta após sua foto de perfil viralizar na internet.

Os buracos negros são aglomerados com uma enorme massa de matéria concentrada em um volume reduzido, o que leva à distorção do espaço-tempo. A teoria geral da relatividade de Albert Einstein previa que qualquer estrela ou fóton que passasse perto do buraco negro seria capturado pela gravidade. Daí veio o nome: um local no espaço que ‘engole’ tudo que passa, até a luz.

Apesar de não ser formada em astronomia, Bouman atualmente faz sua pesquisa de pós-doutorado no Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian. Neste ano, ela começou a dar aulas no Departamento de Ciências da Computação e Matemática da Caltech, o Instituto de Tecnologia da Califórnia.

A pesquisa dela com a aprendizagem de máquinas e os algoritmos providenciou aos astrônomos do projeto as informações que os radiotelescópios não eram capazes de captar no espaço.

“Temos uma informação parcial. É quase como ver um pixel de uma imagem (mas é em outro tipo de domínio). Tivemos que criar métodos para usar essa informação muito esparsa e cheia de ruídos e tentar achar a imagem que pode ter provocado essas medidas”, explicou Bouman em entrevista ao jornal ‘The Washington Post’.

Katie Bouman é professora assistente do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) e participou da montagem da primeira imagem já registrada de um buraco negro — Foto: Divulgação

Por que radiotelescópios?

Em uma entrevista publicada em 2016 no site do MIT, Bouman explicou o projeto no qual estava envolvida – naquela época, ainda não havia nenhuma certeza de quando eles conseguiriam de fato produzir a imagem.

Ela disse que as ondas de rádio têm mais vantagens porque, “assim como as frequências de rádio atravessam paredes, elas também passam pela poeira galática. Nós nunca conseguiriam ver o centro da nossa galáxia em ondas visíveis, porque tem muita coisa no caminho”.

Como os buracos negros estão muito longe da Terra, não é possível simplesmente tirar uma foto deles com uma lente poderosa.

“Um buraco negro está muito, muito longe, e é muito compacto”, explicou a cientista Katherine Bouman, ao site do MIT. “[Tirar uma foto do buraco negro no centro da Via Láctea é] o equivalente a fazer uma imagem de uma toranja [uma fruta típica do clima norte-americano] na Lua, mas com um radiotelescópio. Transformar algo tão pequeno assim em uma imagem significa que necessitaríamos de um telescópio com 10 mil quilômetros de diâmetro, o que não é prático, porque o diâmetro da Terra tem menos de 13 mil quilômetros.”

Superar essa dificuldade exigiria montar a imagem usando várias partes, obtidas pelos radiotelescópios disponíveis. Assim, o time juntou oito radiotelescópios ao redor do planeta e aplicou uma técnica chamada interferometria, que combina os sinais captados pelos telescópios.

Esses sinais interferem uns com os outros, mas eles deixam espaços vazios nos dados, já que suas antenas têm alcance limitado. Como mesmo um número muito maior de radiotelescópios não seria suficiente para capturar a superfície inteira do buraco negro, os algoritmos, então, foram os responsáveis por preenchem esses espaços.

Pontos amarelos mostram onde estão os telescópios do projeto EHT. — Foto: Reprodução / First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole / The Astrophysical Journal Letters

Os algoritmos

Segundo o site do MIT, Katherine Bouman foi a pesquisadora responsável pelo desenvolvimento de um dos vários algoritmos usados no projeto.

Um dos problemas para montar as imagens é a diferença do momento de chegada de um mesmo sinal astronômico a dois telescópios diferentes, já que o caminho feito por ele passa pelo que os astronomistas chamam de “ruído” tanto da atmosfera da Terra quanto do resto da galáxia. Os pesquisadores precisam considerar esse atraso de tempo para poder extrair a informação visual contida no sinal de rádio.

A solução encontrada pela pesquisadora americana considera que, se as medidas de três telescópios forem multiplicadas, os atrasos nos sinais deles podem ser cancelados uns dos outros. Para fazer esse cálculo, ela precisa dos dados de três telescópios, e não só dois. Isso acarreta uma perda de informação que, por outro lado, leva a uma precisão maior.

Buraco negro — Foto: Reprodução

Montando a imagem

Depois de obtidos os sinais, a montagem da imagem leva em conta outras variáveis. Isso porque os pesquisadores fizeram uma suposição de como seriam as imagens dos espaços vazios que não foram captados pelos radiotelescópios.

Para contornar mais esse obstáculo, Bouman aplicou a aprendizagem de máquinas para identificar padrões visuais que tendem a ocorrer nas imagens reais e, depois, refinar o algoritmo para reconstruir imagens.

Ela então preparou uma grande base de dados de imagens astronômicas sintéticas e as medidas que elas teriam em diferentes telescópios, considerando o ruído atmosférico, o ruído termal dos próprios telescópios e outros tipos de ruído.

Katie Bouman posa com os HDs que armazenaram as informações que seu algoritmo reconstruiu na primeira imagem já registrada de um buraco negro — Foto: Divulgação/HET

Trabalho em equipe

Além da equipe do Harvard-Smithsonian, onde Bouman liderou o desenvolvimento do algoritmo, outros cientistas também estavam aplicando algoritmos dentro do projeto. O “Washington Post” afirmou que quatro grupos trabalharam com algoritmos diferentes e em ambientes diferentes, proibidos de se comunicarem.

Ao jornal, ela explicou que, depois de reconstruídas as imagens, os grupos se encontraram para mostrarem os resultados de cada um. “Quando vi que todos tínhamos reconstruído esse anel, eu sabia que ele era uma característica incrivelmente robusta.”

O último passo antes de chegarem à imagem final foi a tentativa dos grupos de desconstruírem as imagens. Para isso, eles precisaram programar novamente os computadores para que eles fossem treinados a reconhecerem discos, que são diferentes de anéis e não têm buracos. Mas, quando os cientistas inseriram os dados reais do telescópio no programa, os computadores reconstruíram novamente o anel. “Não recebemos um disco, ainda recebemos aquele buraco”, explicou ela ao jornal.

“Gastamos uma quantidade enorme de tempo garantindo que o que estávamos vendo era de fato real, e não só algo que, mesmo inconscientemente, a gente pode ter imposto aos dados.”

Fonte: https://g1.globo.com/olha-que-legal/noticia/2019/04/10/algoritmos-que-montaram-1a-imagem-de-um-buraco-negro-foram-criados-com-ajuda-de-pesquisadora-de-29-anos.ghtml

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