Para simular buraco negro, cientista brasileira faz aplicação inédita de inteligência artificial
Jovem de 25 anos é formada em Física pela USP, onde realiza seu doutorado. Projeto acelera simulações científicas e pode auxiliar pesquisas em outras áreas da astronomia
A descoberta de uma jovem pesquisadora brasileira pode ajudar cientistas de todo mundo a entender melhor os buracos negros e, quem sabe, decifrar um dos mistérios mais insondáveis do universo: de onde viemos? O estudo desses fenômenos espaciais demanda cálculos extremamente complexos e envolvem o processamento de uma quantidade gigantesca de dados que excedem a capacidade humana e até de muitos computadores. Os pesquisadores costumam levar sete dias para fazer a simulação simples de um buraco negro usando métodos numéricos tradicionais. Uma simulação mais complexa pode levar até um mês.
A pesquisadora brasileira Roberta Duarte Pereira, doutoranda no Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas (IAG) da Universidade de São Paulo (USP), conseguiu simular o comportamento de um buraco negro em um tempo absurdamente menor com o uso de inteligência artificial (IA). A simulação simples foi obtida de forma 32 mil vezes mais rápida e a complexa, em um tempo 7 mil vezes menor. É a primeira vez na história que o comportamento de um buraco negro foi simulado com o uso de inteligência artificial e aprendizado de máquina, ou seja, os cálculos foram realizados de maneira automatizada e programada.
Roberta, de 25 anos, que quando criança gostava de colecionar revistas sobre astronomia, é formada em física pelo Instituto de Física de São Carlos da USP. O estudo sobre a simulação de buracos negros com uso de IA é resultado da sua dissertação de mestrado, sob a orientação do astrofísico Rodrigo Nemmen, professor do IAG. O projeto, desenvolvido desde janeiro de 2019, resultou na aceitação de um artigo para publicação na revista científica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, uma das mais reconhecidas na área de astronomia e astrofísica.
Rompendo barreiras
Os métodos numéricos tradicionais usados para simular buracos negros envolvem aproximações para resolver cálculos e equações. Quando se tem um número grande de parâmetros para simular, isso demora bastante, segundo Roberta. "Uma simulação simples de um buraco negro, demora cerca de uma semana, rodando em potência máxima. E não basta uma, são várias. As mais complexas podem durar um mês, ainda assim rodando sem parar, sem cair a internet, sem cair a energia. Chega a um ponto que não se consegue ultrapassar a barreira dessa demora, pois o custo computacional e o tempo gasto são muito grandes."
Essa limitação, somada a um maior número de informações surgidas com a instalação de novos telescópios, como o telescópio espacial James Webb, desenvolvido pelas agências espaciais americana, canadense e européia, levou à necessidade de se investigar novas técnicas para analisar uma quantidade de dados que podem chegar à casa do bilhão. "Foi aí que vimos uma possível aplicação para a inteligência artificial, que já é usada na área de internet, por exemplo, para recomendar um link a milhões de pessoas ao mesmo tempo", disse.
Roberta propôs a utilização da inteligência artificial, que já funcionava bem em outras áreas, sobretudo quando se usa um modelo treinado em simulação anterior. A pesquisadora alimentou um modelo com várias simulações, a fim de ensinar como elas funcionam, até que o modelo consiga resolvê-las sozinho. "A gente chegou 30 mil vezes mais rápido numa simulação simples e na complexa, em um tempo 7 mil vezes menor. Os métodos numéricos são importantes para o treinamento da máquina, mas a inteligência artificial é um modelo para agilizar o processo. Uma simulação que demoraria 3 dias para rodar, com o modelo treinado, em 15 segundos estava pronta", contou.
Conforme a pesquisadora, existe certa resistência por parte dos astrônomos e físicos, pois sempre houve dúvida se uma IA conseguiria aprender essas teorias da física e da astronomia, sobretudo em relação ao buraco negro. "Mostrando que pode ser feito, abrimos caminho para usar a inteligência artificial e acelerar a pesquisa em outras áreas da astronomia. É um método que vale a pena ser mais investigado." O estudo servirá para testar os limites da própria inteligência artificial, segundo ela. "Usar a técnica para resolver algo tão complexo como buraco negro pode mostrar se a gente está chegando ao limite da inteligência artificial ou não."
Uma boa prática científica sempre pode servir de base para outra ainda mais completa. Nesse caso, a arquitetura digital usada nas simulações foi a rede U-Net, desenvolvida para analisar imagens de ressonância magnética do cérebro. "A U-Net introduz a imagem e ela retorna mostrando as áreas ativas do cérebro. Como a gente está usando dados que variam no espaço e no tempo, a rede tem a capacidade de tomar decisões muito rápidas. Carros autônomos, por exemplo, têm essas redes neurais que ajudam a identificar outro carro ou quando um pedestre entra em sua rota. No nosso caso, estamos focados mais na dinâmica de fluídos, já que o buraco negro se alimenta de um disco de gases ao seu redor."
Aplicações
Os buracos negros são fenômenos espaciais de proporções elevadíssimas e massa extremamente compacta que resultam em um campo gravitacional tão forte que nenhum tipo de partícula ou radiação, nem mesmo a luz, com toda sua velocidade, consegue sair dele. Sua presença é constatada pelas consequências gravitacionais observadas em seus arredores, como a mudança de órbitas de corpos celestes próximos que são atraídos para esse abismo insondável. A primeira solução moderna da relatividade geral que caracterizaria um buraco negro foi encontrada em 1916 e só descrita década após.
Já a primeira imagem de um buraco negro foi revelada mais de um século depois, em 2019. "Entender o buraco negro nos possibilita entender como a gravidade funciona e quais são efeitos. Até hoje, compreender a gravidade tem sido um dos objetivos dos físicos e pesquisadores, pois pode abrir outras portas, como o eletromagnetismo, por exemplo, que usamos em nossa casa, nos computadores", disse Roberta.
Ela cita o GPS, sistema de navegação por satélite, que utiliza a relatividade para compensar a ação do campo gravitacional do planeta. "O uso do GPS, por exemplo, tem projeções relativísticas porque a curvatura da terra causa distorções no espaço tempo. Em algumas horas o GPS poderia ficar sem conseguir dizer se o carro está em São Paulo ou no meio do Atlântico."
Conforme a pesquisadora, a astrofísica já mostrou que os buracos negros têm certa coevolução com as galáxias. "Tudo indica que eles estão relacionados com a formação do Universo como a gente vê hoje. Talvez a nossa existência esteja relacionada com os buracos negros. Todas as galáxias estão em volta de um buraco negro. Até entender como a gente chegou aqui pode estar relacionado com um buraco negro", disse.
