Astrônomos querem fazer um vídeo de um buraco negro em 3D com observações reais
Próximo passo da colaboração Event Horizon Telescope é realizar observações que permitam a criação de um vídeo em 3D.
Em 2019, a colaboração Event Horizon Telescope (EHT) divulgou a primeira foto de um buraco negro. O buraco negro da foto é o chamado de M87* e está localizado em uma galáxia elíptica chamada de M87. Mais tarde, em 2022, o EHT divulgou a segunda foto, desta vez do buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea, Sagittarius A* (Sgr A*). Ambas as fotos foram marcos importantes na Astronomia e na Física pois confirmaram previsões da Relatividade Geral.
Desde então, o EHT vem expandindo sua rede de telescópios, melhorando a cobertura, a resolução angular e a sensibilidade, além de adicionar observações em outros comprimentos de onda. Esses avanços ajudam a observar como é a dinâmica do ambiente em torno do buraco negro. Com isso, é possível ver como o ambiente muda em função do tempo. Atualmente, mais dados já foram coletados e novas análises estão em andamento, com resultados previstos para os próximos anos.
Dentro desses novos resultados, há o projeto TomoGrav que tem como objetivo construir um “filme” tridimensional de um buraco negro usando observações reais. A ideia é combinar dados do EHT com métodos de inteligência artificial, capazes de inferir a estrutura tridimensional e a evolução temporal do plasma ao redor do horizonte de eventos. O projeto TomoGrav busca produzir a primeira visualização 3D dinâmica de um buraco negro.
Observações
Desde o início do século XXI, a colaboração EHT foi estabelecida para conseguir registrar a primeira foto de um buraco negro. O grande resultado da colaboração aconteceu em 2019 quando divulgaram a primeira imagem direta de um buraco negro supermassivo, o M87*. O EHT usa uma técnica chamada de interferometria de base muito longa (VLBI) que combina dados de radiotelescópios distribuídos globalmente. Na época, cerca de 8 telescópios foram usados nas observações.
Já em 2022, o EHT divulgou a imagem do Sgr A*, o buraco negro supermassivo de 4 milhões de massas solares no centro da Via Láctea. Apesar de mais próximo, Sgr A* apresentou maior complexidade observacional devido à sua menor massa causando uma variabilidade mais rápida do disco de acreção durante as observações. Por causa disso, a foto do Sgr A* demorou mais tempo para ser processada e necessitou de um tratamento de dados mais complexo.
Projeto TomoGrav
Depois das duas fotos, o EHT já divulgou outros resultados como, por exemplo, o mapa de campo magnético do M87* e um vídeo das imagens em 2D mesmo. Com isso, astrônomos criaram o projeto TomoGrav que tem o objetivo de reconstruir a estrutura tridimensional e a evolução temporal do plasma ao redor dos buracos negros a partir desses dados. O TomoGrav busca gerar filmes 3D que descrevam a dinâmica em torno do buraco negro.
Esse vídeo tridimensional é importante porque permite extrair informações físicas, como a o spin dos buracos negros e detalhes do campo magnético. Obter o spin do buraco negro é importante porque controla alguns processos, como eficiência da extração de energia e está ligada à formação de jatos relativísticos. Ao quantificar o spin e mapear a dinâmica do plasma, o TomoGrav ajuda a compreender melhor como esses objetos funcionam.
Por que 3D?
A construção de vídeos 3D de buracos negros com base em observações reais permitem mapear com precisão ambiente em torno do buraco negro. Essas reconstruções possibilitarão medições detalhadas da geometria do espaço-tempo em torno do horizonte de eventos. O que chama mais atenção é o estudo do anel de fótons que permite testes rigorosos da Relatividade Geral em ambiente com campo gravitacional intenso, ou seja, uma curvatura do espaço-tempo extrema.
Além disso, os vídeos 3D ajudarão a entender processos físicos que dependem das três dimensões. Um dos pontos é que alguns processos que são estudados em duas dimensões são diferentes em três dimensões. Isso fica ainda mais importante no estudo de regiões próximas ao buraco que exigem até 4 dimensões. Dessa forma, os vídeos tridimensionais serão uma forma de estudar a totalidade do disco de acreção.
Técnicas de IA
Uma das ideias do projeto TomoGrav é usar técnicas de inteligência artificial para ajudar a reconstruir as estruturas tridimensionais a partir de dados bidimensionais. A ideia é um modelo que aprende relações espaciais e físicas a partir de dados 2D. Dessa forma, o modelo aprende a prever dimensões não observadas mas mantendo a consistência física do sistema.
No caso do TomoGrav, a ideia é usar essas técnicas para as reconstruções 3D mas utilizar os dados observacionais reais tanto para o modelo aprender quanto para a parte de validação. Observações reais são usadas para testar se a estrutura inferida pela IA reproduz corretamente assinaturas observáveis. Essa comparação entre previsões da reconstrução 3D e dados reais permite avaliar quão correto está a previsão da IA.
Referência da notícia
World-leading scientists to join forces to create the first ever 3D black hole movies