Estudo de Caso: A Primeira Imagem de um Buraco Negro
(Créditos: Event Horizon Telescope Collaboration)
Criar uma imagem do Buraco Negro M87 é como tentar ver algo que, por definição, é impossível de se ver.
—Katie Bouman, Professora Assistente, Ciências da Computação e Matemática, Caltech
Um telescópio do tamanho da Terra#
O telescópio Event Horizon (EHT), é um conjunto de oito telescópios em solo formando um telescópio computacional do tamanho da Terra, projetado para estudar o universo com sensibilidade e resolução sem precedentes. O enorme telescópio virtual, que usa uma técnica chamada interferometria de longa linha de base (VLBI), tem uma resolução angular de 20 micro-arcossegundos — o suficiente para ler um jornal em Nova Iorque a partir de um café em uma calçada de Paris!
Principais Objetivos e Resultados#
Uma nova visão do universo: A imagem inovadora do EHT foi publicada 100 anos após o experimento de Sir Arthur Eddington ter produzido as primeiras evidências observacionais apoiando a teoria da relatividade geral de Einstein.
O Buraco Negro: o EHT foi treinado em um buraco negro supermassivo a aproximadamente 55 milhões de anos-luz da Terra, localizado no centro do galáxia Messier 87 (M87) no aglomerado de Virgem. Sua massa é equivalente a 6,5 bilhões de vezes a do Sol. Ele vem sendo estudado há mais de 100 anos, mas um buraco negro nunca havia sido observado visualmente antes.
Comparando observações com a teoria: Pela teoria geral da relatividade de Einstein, os cientistas esperavam encontrar uma região de sombra causada pela distorção e captura da luz causada pela influência gravitacional do buraco negro. Os cientistas poderiam usá-la para medir a enorme massa do mesmo.
Desafios#
Escala computacional
O EHT representa um desafio imenso em processamento de dados, incluindo rápidas flutuações de fase atmosférica, uma largura grande de banda nas gravações e telescópios que são muito diferentes e geograficamente dispersos.
Muitas informações
A cada dia, o EHT gera mais de 350 terabytes de observações, armazenadas em discos rígidos cheios de hélio. Reduzir o volume e a complexidade desse volume de dados é extremamente difícil.
Em direção ao desconhecido
Quando o objetivo é algo que nunca foi visto, como os cientistas podem ter confiança de que sua imagem está correta?
(Créditos do diagrama: The Astrophysical Journal, Event Horizon Telescope Collaboration)
O papel do NumPy#
E se houver um problema com os dados? Ou talvez um algoritmo seja muito dependente de uma hipótese em particular. A imagem será alterada drasticamente se um único parâmetro for alterado?
A colaboração do EHT venceu esses desafios ao estabelecer equipes independentes que avaliaram os dados usando técnicas de reconstrução de imagem estabelecidas e de ponta para verificar se as imagens resultantes eram consistentes. Quando os resultados se provaram consistentes, eles foram combinados para produzir a imagem inédita do buraco negro.
O trabalho desse grupo ilustra o papel do ecossistema científico do Python no avanço da ciência através da análise de dados colaborativa.
Por exemplo, o pacote Python eht-imaging fornece ferramentas para simular e realizar reconstrução de imagem nos dados do VLBI. O NumPy está no coração do processamento de dados vetoriais usado neste pacote, como ilustrado pelo gráfico parcial de dependências de software abaixo.
Além do NumPy, muitos outros pacotes como SciPy e Pandas foram usados na pipeline de processamento de dados para criar a imagem do buraco negro. Os arquivos astronômicos de formato padrão e transformações de tempo/coordenadas foram tratados pelo Astropy enquanto a Matplotlib foi usada na visualização de dados em todas as etapas de análise, incluindo a geração da imagem final do buraco negro.
Resumo#
A estrutura de dados n-dimensional que é a funcionalidade central do NumPy permitiu aos pesquisadores manipular grandes conjuntos de dados, fornecendo a base para a primeira imagem de um buraco negro. Esse momento marcante na ciência fornece evidências visuais impressionantes para a teoria de Einstein. Esta conquista abrange não apenas avanços tecnológicos, mas colaboração científica em escala internacional entre mais de 200 cientistas e alguns dos melhores observatórios de rádio do mundo. Eles usaram algoritmos e técnicas de processamento de dados inovadores, que aperfeiçoaram os modelos astronômicos existentes, para ajudar a descobrir um dos mistérios do universo.
