Home » Ciência » O buraco negro da Galáxia M87: Os 30 pixels que encantaram o mundo - Parte 2: A Missão

O buraco negro da Galáxia M87: Os 30 pixels que encantaram o mundo - Parte 2: A Missão

29 semanas atrás

Previously on Battlestar Galactica...

No artigo anterior nós vimos o básico dos buracos negros, como são formados com a morte de estrelas gigantes, hoje vamos entender como o pessoal do Event Horizon Telescope conseguiu fazer a imagem do buraco negro M87, qual a dificuldade e a importância disso tudo...

A M87, abreviação de Messier 87, ou 87o objeto no Catálogo Messier é uma galáxia que fica a 53 milhões de anos-luz da Terra, e não deve ser confundida com a Nebulosa M78, lar do Ultraman. Na foto acima ela é o ponto amarelo à esquerda, o resto é um jato de plasma emitido pelo buraco-negro gigante em seu núcleo. Ele é gigantesco, tem 1500 parsecs de comprimento, o suficiente para o Millenial Falcon fazer a Corrida de Kessel 125 vezes.

A imagem foi feita pelo Hubble, mas o segredo não é ampliação, pois galáxias não são coisas pequenas. Andrômeda por exemplo tem 3.167° de comprimento por 1° de altura. Quão grande é isso? A Lua tem 0.5° de diâmetro. isso mesmo, a Lua é bem menor do que imaginamos. De horizonte a horizonte Cabem 360 luas lado-a-lado.

Andrômeda é visível a olho nu como uma nuvem muito difusa, mas se aumentarmos seu brilho, este seria seu tamanho aparente:

Andrômeda está aqui do lado, a uns 2,5 milhões de anos-luz, e pior, está em rota de colisão com a Via Láctea, em 4,5 bilhões de anos as duas galáxias irão se mesclar em um evento catastrófico que formará uma nova estrutura. Aqui uma dramática simulação da colisão:

Já a galáxia M87, qual seu tamanho aparente? Bem, ela tem um diâmetro aparente de 7.2 minutos de arco. Comparado com a Lua esse diâmetro faria a M87 se fosse brilhante o suficiente para ser vista em detalhes ter este tamanho no céu:

Calma. Minutos, segundos, que diabo é isso?

A astronomia usa conceitos bem fundamentais de geometria, que você ainda se lembraria se seu professor não apostasse só na decoreba. São bem simples. Lembra do bom e velho transferidor?

Imagine que você está ali no meio. Olhe pra sua esquerda, reto. Agora suba o olhar, até olhar diretamente para cima. Parabéns você está olhando em um ângulo de 90 graus. Olhe para a direita, também reto. Na altura do horizonte temos 180 graus.

Como objetos no céu, ao contrário de dinossauros no retrovisor de Fords Explorers não são maiores do que aparentam, precisamos de subunidades para determinar o tamanho das coisas. Objetos grandes (ou próximos) como o Sol e a Lua podem ser medidos em minutos de arco. Um ângulo de um grau é dividido em 60 minutos de arco, ou 60'.

Assim a Lua (e o Sol) tem um diâmetro aparente de 1/2 grau, ou 30 minutos. Objetos menores ou mais distantes têm diâmetro menor ainda, Marte tem diâmetro aparente de 3,5 segundos de arco, ou 3,5".

E o Buraco Negro? Bem, a galáxia M87 tem 7.2 minutos de arco de diâmetro, mas o buraco negro em seu centro tem 40 μas, ou quarenta micro-segundos de arco. Um micro-segundo de arco é um milionésimo de segundo.

Já deu pra entender, né? Você pega um céu com 180 partes. Uma dessa parte você divide em 60 partes menores. Aí divide de novo em mais 60. Então a fatiazinha você divide em um milhão. Veja a comparação entre a resolução do Hubble e a obtida pelo Event Horizon Telescope. A imagem começa com o tamanho relativo de um pixel do Hubble:

Como conseguiram então?

Imagine que você tem uma luneta bem fina. Você aponta para um carro do outro lado da rua. Consegue ver perfeitamente um detalhe da placa, mas como você está dentro de seu próprio carro, não consegue ver outras partes. Você então avança alguns metros, aponta a luneta de novo e vê outro detalhe do carro, mais um número da placa.

Volta outros tantos metros e vai aos poucos montando uma imagem do carro como um todo.

Uma boa analogia foi apresentada pela Dra Katie Bouman: Imagine um teclado onde você só consiga ouvir algumas notas. É impossível entender a música. Agora coloque mais pessoas, cada uma ouvindo algumas notas. Se todas combinarem suas observações, a música passa a fazer sentido, se torna reconhecível.

No nosso caso cada nota é um radiotelescópio, e o nome da técnica é interferometria. É usada para combinar observações de antenas individuais, formando um radiotelescópio virtual com resolução muito maior, tipo o Very Large Array, no Novo México. Sim, o usado em Contato:

São 27 antenas de 25 metros de diâmetro cada, juntas forma um círculo que pode chegar a 21km de raio. Em conjunto elas conseguem uma resolução de 0.2 segundos de arco. Veja a Galáxia M87 e seu jato de plasma superaquecido, observado pelo VLA:

0.2 segundos de arco é bom mas o buraco negro é muito menor.

Relativamente falando, claro, é um dos maiores buracos negros do Universo, com dezenas de bilhões de vezes mais massa que o Sol, com um diâmetro de 0.12 parsers, ou 0.39 anos-luz, ou 25000 Unidades Astronômicas. O Sistema Solar nas estimativas mais otimistas tem 180 UAs de diâmetro. Só que a M87 tem mais de 240 mil anos-luz de uma ponta a outra.

Como saltar de segundos de arco para milionésimo de segundo de arco? Pra isso seria necessário um radiotelescópio do tamanho da Terra, e isso é impossível, certo?

Hold My Beer, disse esse pessoal:

OK na verdade esse pessoal é apenas um dos grupos, no total foram 207 cientistas de 62 instituições em 18 países (você não, Brasil) que utilizaram 6 radiotelescópios, dois no Chile, dois no Hawaii, um na Espanha, outro no México, um no Arizona e outro no Pólo Sul.

O trabalho de coordenar as observações foi fenomenal, é preciso configurar os equipamentos para todos registrarem as exatas mesmas frequências no exato mesmo momento, mas isso é apenas o começo. Um radiotelescópio não usa luz, não produz uma imagem. O que um radiotelescópio capta é intensidade e polarização de sinais de rádio, esta é a saída de dados de um radiotelescópio:

Esses dados vieram do NRAO/SKYNET 20 Meter Geodetic Radio Telescope, um radiotelescópio na Virgínia Ocidental, neste link você acessa as observações dele em tempo real, e aqui os dados brutos.

Esses dados plotados em gráficos resultam em algo bem diferente de uma foto. Esta é a Nebulosa de Orion, vista por um telescópio óptico:

Esta é Orion "vista" pelo NRAO:

Então, como se chegou a esta imagem do buraco negro, que parece ser muito mais detalhada?

Simples (ok, palavra errada). A estrutura montada mais que dobrou a capacidade máxima de gravação de dados. Em pleno funcionamento as antenas do EHT gravavam sinais captados a uma velocidade de 64 Gbps.

Segundo um dos papers do projeto, para operações em grande altitude foram usados 128 hard disks de entre 6 e 10TB, gravando em paralelo totalizando 1PB de armazenamento. Foram 10000 horas de gravações, os discos funcionando em altitudes de até 5100m com zero falhas. Palmas pra Western Digital, que patrocinou o projeto.

 

O sistema de gravação de dados é uma coisa linda, ele recebe duas streams de dados a 8Gbps cada e usando conexões Ethernet de 10Gbps divide os dados entre 32 Hard Disks, que isoladamente jamais conseguiriam lidar com 16Gbps, resultando em uma condição que descrita em termos altamente técnicos seria a piada da formiguinha e do elefante.

E o tal Algoritmo?

Algoritmo é um conceito bem simples, é ensinado nos cursos de computação como uma receita de bolo, uma forma de você ensinar ao computador como fazer alguma coisa, independente de linguagem.

Digamos que eu tenha um mapa-mundi. Eu preciso pintar de azul os pixels onde for mar, e de marrom os pixels onde for terra. Se eu tiver informação de altitude de cada pixel, o algoritmo é trivial:

1 - identifique a altitude do pixel

2 - se o pixel tiver altitude acima de zero, pinte de marrom, do contrário pinte de azul

3 - repita para todos os pixels.

Claro que quanto mais complexo o cenário mais complicado o algoritmo. Em Age of Empires quando você seleciona uma unidade e a manda chegar até um determinado ponto no mapa, ela usa um algoritmo de caminho chamado A* (A-Star) criado em 1966 para o Shakey, um robô do Stanford Research Institute.

No caso do EHT era preciso um algoritmo para transformar os dados em uma imagem, mas há um problema. Há muitas variáveis arbitrárias, muitas formas pelas quais o criador do algoritmo e seus programadores podem influenciar mesmo sem-querer o resultado final.

Ah, este é um dos algoritmos usados:

Eu explicaria em detalhes mas o artigo está ficando muito longo...

O algoritmo tem que preencher muitas lacunas, e facilmente dados e ruído podem ser confundidos. A solução foi criar quatro grupos independentes usando variações dos algoritmos e cada um escolhendo por conta própria os parâmetros de configuração.

Os grupos não mantiveram comunicação entre si, para garantir a independência dos resultados.

Os resultados foram comparados e usados para criar a versão final da imagem, usando contribuições de todos os grupos. Essa é a imagem mais "auditada" da história da radioastronomia, então não poderiam dar chance ao acaso ou ao erro humano. O resultado é que o software final ficou tão bom que as simulações (nas pontas) ficaram basicamente idênticas  à imagem do meio, produzida com dados reais.

O círculo pequeno é o limite de resolução do radiotelescópio, tecnicamente, um pixel. Os contornos difusos são cortesia do algoritmo que suaviza as bordas. As variações de temperatura, que são menores que um pixel são obtidas pelas variações de leitura de cada pixel em várias iterações.

A imagem do Buraco Negro M87 é histórica, mas é um 14 Bis, com a diferença é que nós sabemos como fazer um Concorde: Temos hoje a tecnologia para montar um radiotelescópio no lado oculto da Lua e ao invés de 10000Km teremos um radiotelescópio virtual de 300 mil km de diâmetro. O céu literalmente não é o limite.

Esse trabalho com certeza renderá um Nobel, e irá para o EHT como um todo, mas mesmo assim é pouco. É uma conquista de toda a Ciência, do Diretor do Projeto à tia do café, e sendo realista todos os envolvidos darão muito mais crédito à tia do café.

Para Saber Mais:

  1. First M87 Event Horizon Telescope Results. IV. Imaging the Central Supermassive Black Hole
  2. SUPER-RESOLUTION FULL POLARIMETRIC IMAGING FOR RADIO INTERFEROMETRY WITH SPARSE MODELING
  3. First M87 Event Horizon Telescope Results. II. Array and Instrumentation
  4. Astronomers Capture First Image of a Black Hole

Leia mais sobre: , , .

relacionados


Comentários