Tese de doutorado defendida no CBPF tem como tema a ‘caça’ de lentes gravitacionais

Tese de doutorado recém-defendida no Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), no Rio de Janeiro (RJ), discutiu a ‘caça’ de fenômenos cósmicos auxiliada por programas de computador desenvolvidos no Brasil e que participaram recentemente de uma competição internacional.

Na tese – cujo título é ‘Probing cosmology with strong lensing: from image processing to cosmological constraints’ (algo como Sondando a cosmologia com lenteamento forte: do processamento de imagens aos limites cosmológicos) –, Clécio De Bom apresentou e discutiu dois métodos automatizados de busca das chamadas lentes gravitacionais.

Lentes gravitacionais são distribuições de massa (comumente, aglomerados de galáxias) que agem como uma ‘lupa’, desviando a trajetória dos raios de luz que passam em sua proximidade e, com isso, criando imagens de objetos cósmicos distantes, posicionados ‘atrás’ da lente. As imagens criadas são as mais variadas: de arcos a anéis, passando até por ‘cruzes’ (figura 1) .

Figura 1.  A gravidade de uma galáxia luminosa vermelha (centro) distorce gravitacionalmente a luz de uma galáxia azul muito distante

(Crédito: ESA/Hubble & NASA)

O primeiro método apresentado por Bom usa um processo de decomposição de objetos nas imagens denominado Mediatrix – desenvolvido no CBPF – aliado ao uso de redes neurais – estas últimas são técnicas computacionais que apresentam modelo matemático inspirado no conjunto de conexões das células nervosas (neurônios).

“O método Mediatrix rendeu até uma patente e está para ser publicado em Astronomy and Astrophysics ”, diz Martín Makler, pesquisador titular do CBPF e orientador da tese. Já o método de busca de arcos usando o Mediatrix em conjunto com redes neurais acaba de ser publicado no mesmo periódico (figura 2) .

O segundo dos métodos discutidos na tese emprega as chamadas ‘redes neurais convolucionais’, método computacional igualmente baseado nas conexões neuronais, mas que apresenta uma complexidade maior e busca reproduzir o córtex (região do cérebro) visual dos animais.

Foi justamente com esse método que uma equipe formada por Makler, Bom e Manuel Valentin – este último aluno do Mestrado em Instrumentação Científica do CBPF – participou recentemente do ‘ Gravitational Lens Finding Challenge ’, desafio global para algoritmos computacionais de busca de lentes gravitacionais. Na competição, a equipe do CBPF obteve excelente colocação.

Segundo Makler, esse segundo método será detalhado em breve em um artigo, bem como usado para analisar os dados do CS82, colaboração entre Canadá, França e Brasil na área de lentes gravitacionais.

Figura 2. Arcos (círculos azuis, elipses magenta e caixas verdes) em um

aglomerado de galáxias usados para testar o buscador de arcos Mediatrix

(Crédito: C. De Bom/Tese de doutorado/CBPF)

O desafio: 100 mil

Makler é ligado à Coordenação de Cosmologia, Astrofísica e Interações Fundamentais (Cosmo), do CBPF. Parte dos trabalhos foi feita em parceria com outro setor do CBPF, a Coordenação de Desenvolvimento Tecnológico (Cotec).

Os primeiros resultados da competição foram anunciados em um encontro em Berna (Suíça), na segunda quinzena do último mês de fevereiro. O grupo do CBPF ficou em 3º lugar em uma das categorias.

“Fomos o único grupo de um país em desenvolvimento que participou efetivamente da competição”, disse Makler, ressaltando que a equipe do CBPF finalizou o algoritmo premiado em menos de um mês.

O desafio consistia em classificar 100 mil sistemas de imagens por meio de algoritmos computacionais (figura 3) . “Levamos menos de duas horas para finalizar essa tarefa”, ressaltou Makler.

Figura 3. Sistemas simulados de arcos gravitacionais do desafio Challenge encontrados pelo

método baseado em redes neurais convolucionais e desenvolvido por pesquisadores do CBPF

(Crédito: C De Bom/Tese de doutorado/CBPF)

Miragens cósmicas

Uma das consequências mais espetaculares do desvio da luz pela gravidade é o fenômeno de lente gravitacional. Mais que uma curiosidade da relatividade geral – a teoria da gravitação idealizada pelo físico de origem alemã Albert Einstein (1879-1955) na década de 1910 –, esse efeito proporciona um instrumento poderoso para a astrofísica e a cosmologia.

As lentes gravitacionais permitem enxergar alguns dos objetos mais distantes do cosmo, detectar a presença de matéria invisível, sondar a estrutura em grande escala do universo e até descobrir novos planetas.

O fenômeno do lenteamento gravitacional é basicamente o desvio provocado pela gravidade na trajetória da luz. Assim, quando um observador, uma grande massa (as lentes propriamente ditas) e um objeto localizado além da lente (a fonte) estão alinhados, esse desvio da luz pode formar imagens da fonte em posições visíveis a um observador na Terra.

Diferentemente das lentes usuais (como as de óculos, lunetas etc.), as gravitacionais podem produzir imagens múltiplas das fontes e/oudistorcer sua forma, dando origem aos chamados arcos gravitacionais. Tanto arcos quanto imagens múltiplas são denominados ‘miragens gravitacionais’, fenômeno descoberto (por acaso) em 1979.

Outras aplicações das lentes gravitacionais: determinar a estrutura de galáxias e aglomerados; entender a evolução das galáxias; obter informações sobre a constituição do universo e sobre propriedades da matéria escura, que responde por cerca de 25% da massa do universo; testar a teoria da gravidade; determinar a taxa de expansão do universo; buscar planetas menos massivos e mais distantes de suas estrelas do que aqueles detectados por métodos mais tradicionais.

Mais informações:

Artigo (2017) Astronomy and Astrophysics :

http://dx.doi.org/10.1051/0004-6361/201629159

O universo em três décadas:

http://www.cienciahoje.org.br/noticia/v/ler/id/4490/n/o_universo_em_tres_decadas

O universo visto pelas lentes gravitacionais:

http://www.linea.gov.br/wp-content/uploads/2011/01/Artigo-Astronomia_CH264.pdf