A estrutura de explosão 3D apresenta duas estruturas brilhantes e compactas localizadas a cerca de 75 milhões de quilômetros (ou metade da distância entre a Terra e o Sol) do centro do buraco negro. Baseia-se em dados recolhidos pelo Atacama Large Millimeter Array (ALMA), no Chile, durante um período de 100 minutos, imediatamente após uma erupção observada em dados de raios-X, em 11 de abril de 2017.

“Esta é a primeira reconstrução tridimensional de gás girando perto de um buraco negro”, diz Katie Bouman, professora assistente de computação e ciências matemáticas, engenharia elétrica e astronomia na Caltech, cujo grupo liderou o esforço descrito em um novo artigo na Nature Astronomia.

Aviad Levis, pós-doutorado no grupo de Bouman e autor principal do novo artigo, enfatiza que, embora o vídeo não seja uma simulação, também não é uma gravação direta dos eventos à medida que ocorreram. “É uma reconstrução baseada nos nossos modelos da física dos buracos negros. Ainda há muita incerteza associada a ela porque depende da precisão desses modelos”, diz ele.

Para reconstruir a imagem 3D, a equipe teve que desenvolver novas ferramentas de imagem computacional que pudessem, por exemplo, explicar a curvatura da luz devido à curvatura do espaço-tempo em torno de objetos de enorme gravidade, como um buraco negro.

A equipe multidisciplinar considerou pela primeira vez se seria possível criar um vídeo 3D de explosões em torno de um buraco negro em junho de 2021. A Colaboração Event Horizon Telescope (EHT), da qual Bouman e Levis são membros, já havia publicado a primeira imagem do buraco negro supermassivo no centro de uma galáxia distante, chamada M87, e estava trabalhando para fazer o mesmo com dados EHT de Sgr A*. Pratul Srinivasan, do Google Research, coautor do novo artigo, estava na época visitando a equipe da Caltech. Ele ajudou a desenvolver uma técnica conhecida como campos de radiância neural (NeRF), que estava apenas começando a ser usada por pesquisadores; desde então, teve um enorme impacto na computação gráfica. NeRF usa aprendizado profundo para criar uma representação 3D de uma cena baseada em imagens 2D. Ele fornece uma maneira de observar cenas de diferentes ângulos, mesmo quando apenas visualizações limitadas da cena estão disponíveis.

A equipe se perguntou se, com base nesses desenvolvimentos recentes nas representações de redes neurais, eles poderiam reconstruir o ambiente 3D em torno de um buraco negro. O seu grande desafio: Da Terra, como de qualquer lugar, só temos um único ponto de vista do buraco negro.

A equipa pensou que poderia conseguir ultrapassar este problema porque o gás se comporta de uma forma algo previsível à medida que se move em torno do buraco negro. Considere a analogia de tentar capturar uma imagem 3D de uma criança usando uma câmara de ar na cintura. Para capturar tal imagem com o método NeRF tradicional, você precisaria de fotos tiradas de vários ângulos enquanto a criança permanecesse parada. Mas, em teoria, você poderia pedir à criança que girasse enquanto o fotógrafo permanecesse parado tirando fotos. Os instantâneos cronometrados, combinados com informações sobre a velocidade de rotação da criança, poderiam ser usados para reconstruir igualmente bem a cena 3D. Da mesma forma, ao aproveitar o conhecimento de como o gás se move a diferentes distâncias de um buraco negro, os investigadores pretendiam resolver o problema de reconstrução da explosão 3D com medições feitas na Terra ao longo do tempo.

Com esta visão em mãos, a equipe construiu uma versão do NeRF que leva em consideração como o gás se move em torno dos buracos negros. Mas também era necessário considerar como a luz se curva em torno de objetos massivos, como os buracos negros. Sob a orientação do coautor Andrew Chael, da Universidade de Princeton, a equipe desenvolveu um modelo computacional para simular essa curvatura, também conhecida como lente gravitacional.

Com estas considerações em vigor, a nova versão do NeRF foi capaz de recuperar a estrutura das características brilhantes em órbita em torno do horizonte de eventos de um buraco negro. Na verdade, a prova de conceito inicial mostrou resultados promissores em dados sintéticos.

Mas a equipe precisava de alguns dados reais. Foi aí que o ALMA entrou. A agora famosa imagem de Sgr A* obtida pelo EHT baseou-se em dados recolhidos entre 6 e 7 de abril de 2017, que foram dias relativamente calmos no ambiente que rodeia o buraco negro. Mas os astrônomos detectaram um brilho explosivo e repentino nas redondezas apenas alguns dias depois, no dia 11 de Abril. Quando o membro da equipa Maciek Wielgus, do Instituto Max Planck de Radioastronomia, na Alemanha, voltou aos dados do ALMA daquele dia, notou um sinal com um período correspondente ao tempo que um ponto brilhante dentro do disco levaria para completar uma órbita em torno de Sgr A*. A equipe decidiu recuperar a estrutura 3D daquele brilho em torno de Sgr A*.

O ALMA é um dos radiotelescópios mais poderosos do mundo. No entanto, devido à grande distância ao centro galático (mais de 26.000 anos-luz), mesmo o ALMA não tem resolução para ver as imediações de Sgr A*. O que o ALMA mede são curvas de luz, que são essencialmente vídeos de um único pixel tremeluzente, que são criados através da recolha de toda a luz em comprimentos de onda de rádio detectada pelo telescópio para cada momento de observação.

Recuperar um volume 3D de um vídeo de pixel único pode parecer impossível. No entanto, ao aproveitar uma informação adicional sobre a física esperada para o disco em torno dos buracos negros, a equipa conseguiu contornar a falta de informação espacial nos dados do ALMA.

O ALMA não captura apenas uma única curva de luz. Na verdade, ele fornece vários desses “vídeos” para cada observação porque o telescópio registra dados relativos a diferentes estados de polarização da luz. Assim como o comprimento de onda e a intensidade, a polarização é uma propriedade fundamental da luz e representa a direção em que o componente elétrico de uma onda de luz está orientado em relação à direção geral de deslocamento da onda. “O que obtemos do ALMA são dois vídeos polarizados de pixel único”, diz Bouman, que também é bolsista de Rosenberg e investigador do Heritage Medical Research Institute. "Essa luz polarizada é realmente muito informativa."

Estudos teóricos recentes sugerem que os pontos quentes que se formam dentro do gás são fortemente polarizados, o que significa que as ondas de luz provenientes desses pontos quentes têm uma direção de orientação preferida distinta. Isto contrasta com o resto do gás, que tem uma orientação mais aleatória ou embaralhada. Ao reunir as diferentes medições de polarização, os dados do ALMA forneceram aos cientistas informações que poderiam ajudar a localizar a origem da emissão no espaço 3D.

Para descobrir uma provável estrutura 3D que explicasse as observações, a equipa desenvolveu uma versão atualizada do seu método que não só incorporou a física da curvatura e dinâmica da luz em torno de um buraco negro, mas também a emissão polarizada esperada em pontos quentes que orbitam um buraco negro. Nesta técnica, cada estrutura potencial de flare é representada como um volume contínuo usando uma rede neural. Isto permite aos investigadores progredir computacionalmente a estrutura 3D inicial de um ponto quente ao longo do tempo, à medida que orbita o buraco negro para criar uma curva de luz completa. Eles poderiam então encontrar a melhor estrutura 3D inicial que, quando progredisse no tempo de acordo com a física dos buracos negros, correspondesse às observações do ALMA.

O resultado é um vídeo que mostra o movimento no sentido horário de duas regiões compactas e brilhantes que traçam um caminho ao redor do buraco negro. “Isso é muito emocionante”, diz Bouman. "Não precisava ter sido assim. Poderia ter havido um brilho arbitrário espalhado por todo o volume. O fato de isto se parecer muito com as explosões que as simulações computacionais de buracos negros preveem é muito emocionante."

Levis diz que o trabalho foi exclusivamente interdisciplinar: "Você tem uma parceria entre cientistas da computação e astrofísicos, que é singularmente sinérgica. Juntos, desenvolvemos algo que é de vanguarda em ambos os campos - tanto o desenvolvimento de códigos numéricos que modelam como a luz se propaga ao redor buracos negros e o trabalho de imagem computacional que fizemos."

Os cientistas observam que este é apenas o começo para esta tecnologia emocionante. “Esta é uma aplicação realmente interessante de como a IA e a física podem se unir para revelar algo que de outra forma não seria visto”, diz Levis. "Esperamos que os astrónomos possam utilizá-los noutros dados ricos de séries temporais para lançar luz sobre dinâmicas complexas de outros eventos semelhantes e para tirar novas conclusões."

O novo artigo é intitulado “Tomografia Polarimétrica Orbital de uma Explosão Perto do Buraco Negro Supermassivo de Sagitário A*”. O trabalho foi apoiado por financiamento da National Science Foundation, do Carver Mead New Adventures Fund da Caltech, da Princeton Gravity Initiative e do European Research Council.