Inteligência artificial encontrou respostas sobre explosão energética do buraco negro da Via Láctea

O ambiente em torno de um buraco negro é extremamente dinâmico e turbulento. Entender como o plasma se comporta quando um buraco negro está em processo de acreção é um dos pontos chaves da Física de buracos negros. A dinâmica do plasma pode dar respostas sobre o próprio objeto central e sobre os processos que acontecem nessa região extrema.

Uma dessas questões que precisam de respostas é a criação de flares energéticos que são observados em quase todo espectro eletromagnético raios-X. Os flares são verdadeiras explosões energéticas que acontecem no disco de acreção. O mecanismo para explicar como esses flares acontecem ainda não é completamente compreendido e observações tem sido usadas para tentar explicar esse fenômeno.

Um grupo de cientistas do Instituto de Tecnologia da Califórnia usaram as observações do buraco negro supermassivo Sgr A* para encontrar respostas. No trabalho, eles criaram um modelo de inteligência artificial capaz de recriar um mapa 3D a partir das observações para descrever a evolução do material. Com esse modelo, é possível ter alguns insights sobre como esses flares são produzidos.

Sgr A*

No centro da Via Láctea reside um buraco negro supermassivo de cerca de 4 milhões de massas solares. O buraco negro é chamado de Sagittarius A* ou Sgr A* por estar localizado na direção da constelação de Sagitário. Por ter uma massa relativamente pequena para buraco negro supermassivo, ele é menor do que a órbita de Mercúrio.

O Sgr A* foi um dos alvos de observação da colaboração Event Horizon Telescope que utiliza radioastronomia para fotografar buracos negros. Em 2022, a colaboração divulgou a primeira foto do Sgr A* juntamente com uma série de artigos para estudar detalhadamente o ambiente. A foto foi a segunda já ser registrada de um buraco negro na história.

Uma das características do Sgr A* é que ele possui uma taxa pequena da quantidade de matéria que ele absorve. Alguns discutem se Sgr A* não deveria ser classificado como inativo. A maior parte dos buracos negros supermassivos que estão próximos de nós estão nesse estado de acreção.

Disco de acreção

Quando um buraco negro está se alimentando, uma estrutura em formato de disco se forma em torno do objeto. A estrutura tem o nome de disco de acreção. O disco de acreção é composto de plasma atingindo temperaturas e velocidade altas. Conseguir estudar a dinâmica do disco de acreção é importante para obter propriedades do buraco negro.

Para compreender o disco de acreção é necessário uma junção de diferentes áreas da Física como relatividade geral e eletromagnetismo. Os processos físicos que acontecem no disco de acreção são complexos necessitando de simulações computacionais custosas para estudar. As simulações são comparadas com observações de telescópios como ALMA.

Observações de flares

Em 2017, o radiotelescópio ALMA observou uma erupção vinda do Sgr A* e observou uma periodicidade nos sinais de rádio. Além disso, a erupção foi observada em raios-X. Com essas observações foi possível mapear uma série temporal para entender como o fenômeno evoluiu no tempo.

Uma das características do ALMA é a possibilidade de observar a intensidade do brilho assim como a polarização do sinal. Com ambas as características é possível obter informações físicas sobre o processo e sobre o próprio buraco negro. O próximo ponto seria utilizar as observações obtidas pelo ALMA para reconstruir um mapa 3D do disco de acreção.

Uso de inteligência artificial

A técnica escolhida pelo time foi uma chamada de campo de radiância neurais. Essa técnica se baseia em construir uma imagem tridimensional de informações bidimensionais. No caso das observações, os dados obtidos pelo ALMA se parecem muito com imagens bidimensionais sem a dimensão de profundidade.

Usando essa técnica e com as propriedades físicas do sistema, é possível treinar esse modelo que se baseia em aprendizado profundo para criar um mapa tridimensional. Segundo os autores, é como se o mapa fosse criado a partir de um pixel mas que tivesse as leis da Física para guiar a criação.

Resultados

O time esperava obter como uma visualização 3D do disco de acreção após a formação do flare. Dessa forma, era possível entender como o disco evoluía após a formação do flare e como isso poderia afetar a dinâmica do disco. O resultado principal foi que o computador conseguiu mostrar um dos flares observados em 2017.

Segundo o time, o próximo passo seria treinar o modelo com outros parâmetros além dos que foram observados pelo ALMA. Dessa forma seria possível estudar como cada parâmetro afeta a produção de flares e o comportamento do disco de acreção.

Referência

Levis et al. 2024 Orbital polarimetric tomography of a flare near the Sagittarius A* supermassive black hole Nature Astronomy