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Astrônomos descobrem estrela que desafia os modelos de evolução das primeiras estrelas do universo

Publicado em 19/05/2021 16h41
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Descoberta foi feita em caracterização de 21 milhões de objetos  celestes em segundo lançamento de dados do mapeamento S-PLUS 

Um estudo publicado neste mês pelo periódico The Astrophysical Journal Letters (ApJL)  revelou a descoberta de uma estrela pertencente ao grupo seletíssimo de estrelas ultra  pobres em metais (para os astrônomos, metais são todos os elementos químicos mais  pesados do que o hélio). A estrela, conhecida como SPLUS J2104-0049, foi selecionada  para ser observada por espectroscopia de média e alta resolução em dois dos principais  telescópios do mundo, o Gemini Sul e o Magellan Clay, ambos no Chile. 

“No campo da arqueologia estelar, acredita-se que estrelas ultra pobres em metais  nasceram a partir de nuvens de gás enriquecidas pela primeira geração de estrelas a se  formarem no universo”, explica Vinicius Placco, cientista associado do NOIRLab, com sede  em Tucson, Arizona (EUA), que liderou a pesquisa. “Atualmente, o grupo de estrelas ultra  pobres em metais é composto por apenas 35 estrelas”. 

Uma característica especial da estrela SPLUS J2104-0049 é que ela possui a menor  abundância em carbono já medida para uma estrela ultra pobre em metais. “Isso desafia  modelos correntes sobre a evolução das primeiras estrelas", completa o pesquisador.  

A pesquisa de Placco utilizou como base o trabalho de seu aluno de doutorado Devin  Whitten, da Universidade de Notre Dame (EUA). Esse trabalho, publicado neste mês pelo  periódico The Astrophysical Journal, estimou parâmetros atmosféricos estelares e  abundâncias de carbono para mais de 700 mil estrelas a partir do segundo lançamento de  dados (DR-2) do S-PLUS (sigla para Levantamento Fotométrico do Universo Local Sul, em  inglês).  

Esta foi também a primeira publicação com estimativas de abundâncias de carbono  baseadas em fotometria. Usualmente, esses parâmetros físicos são obtidos com a técnica  de espectroscopia, em que a luz é separada como num arco-íris, o que torna impossível  conseguir analisar uma quantidade tão grande de estrelas. Os resultados desse trabalho  são essenciais para validar as teorias de formação e evolução de galáxias como a Via  Láctea e ainda fornecem candidatas interessantes para futuros estudos espectroscópicos. 

Um mapa do céu do hemisfério Sul 

O S-PLUS é um projeto que está mapeando o céu austral a partir de Cerro Tololo (Chile)  com um telescópio robótico de 86 cm de diâmetro. As imagens para o projeto são obtidas  com uma câmera capaz de registrar uma região do céu equivalente a um quadrado onde  caberiam, com folga, duas Luas Cheias de cada lado.

Um dos diferenciais do S-PLUS é o uso de 12 filtros fotométricos do chamado sistema de  Javalambre, que se utiliza de sete filtros a mais do que a maior parte dos surveys astronômicos. Esses sete filtros adicionais são mais estreitos e estrategicamente  selecionados para permitirem o estudo de determinadas características denominadas linhas  espectrais, que possibilitam, por exemplo, medir a temperatura e obter a caracterização  química de estrelas. 

O DR-2 representa a adição de dados e imagens de uma área de 950 graus quadrados,  triplicando a área estudada até então e disponível no catálogo anterior. As imagens foram  obtidas entre 2016 e 2020 e incluem medidas de brilho nas 12 bandas fotométricas de mais  de 21 milhões de novos objetos. 

O banco de dados conta com várias ferramentas para sua exploração. “Os interessados  podem obter imagens das regiões de interesse através de uma interface simples e  amigável, podendo montar imagens coloridas ao mesmo tempo”, conta Gustavo Schwarz,  aluno de Ciência da Computação da Universidade Presbiteriana Mackenzie e aluno de  iniciação científica no IAG/USP, que desenvolveu o sistema. “Além disso, disponibilizamos  um pacote em linguagem Python que permite também baixar diretamente os dados do  projeto”. 

Para uma correta interpretação dos dados, foi necessário desenvolver uma técnica especial  de calibração para o S-PLUS, aproveitando medidas de calibração de outros projetos.  “Calibrações de projetos similares são transformadas ao sistema de 12 filtros utilizado pelo  S-PLUS através do uso de modelos estelares sintéticos. Esse tipo de procedimento permite otimizar o tempo de telescópio disponível para observações científicas, reduzindo em cerca  de 15% o tempo necessário para completar o projeto”, explica o astrofísico Felipe de  Almeida Fernandes. 

Fernandes, que é pós-doutorando no Departamento de Astronomia do Instituto de  Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas da Universidade de São Paulo (IAG/USP),  trabalhou nos esforços de calibração e lidera o artigo submetido ao periódico Monthly  Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS) que descreve o lançamento do DR-2  do S-PLUS. 

As novas calibrações do DR-2 possibilitaram estimar parâmetros físicos importantes, tais  como temperatura e composição química, em especial a quantidade de carbono, para mais  de 700.000 estrelas da Via Láctea. Esse esforço gigantesco exigiu também ferramentas de  cálculo baseada em redes neurais artificiais que tiveram que ser “ensinadas” antes. 

Transformando dados em ciência 

Com o volume de dados obtidos a cada noite pelo S-PLUS, seria impossível para um ser  humano analisar e interpretar todas as informações durante uma vida inteira. Para  solucionar esse tipo de problema, a análise das imagens e dos dados processados inclui  algoritmos de inteligência artificial. 

Um exemplo é a rotina para separar estrelas, galáxias e quasares que foi desenvolvida para  fazer uma classificação adequada sem a intervenção humana. Para isso, o programa sofreu  um “treinamento” e aprendeu a diferenciar cada tipo de objeto. “Além de incluir os valores 

de brilho nas 5 bandas largas do sistema de filtros, como é feito usualmente, o programa do  S-PLUS também incluiu características morfológicas obtidas pelo próprio projeto, bem como  dados do satélite WISE, que observou o céu inteiro no infravermelho”, explica Lilianne  Nakazono, estudante de doutorado no Departamento de Astronomia do IAG/USP que lidera  os esforços de classificação de objetos. De acordo com Nakazono, que é a primeira autora  de artigo explicativo submetido para publicação também pelo MNRAS, o índice de acerto do  seu algoritmo supera os 97%, ou seja, a cada mil objetos classificados, apenas 22 têm  classificação incorreta. 

Clécio De Bom, pesquisador do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), também  utiliza inteligência artificial para analisar o volumoso conjunto de dados do S-PLUS. Um  novo artigo liderado por De Bom aplica modelos de Redes Neurais profundas para  identificar, de maneira automática, a forma das galáxias: espirais e elípticas. Este trabalho  permitiu avaliar o uso das 12 cores do S-PLUS para este tipo de classificação. 

“Devido à grande quantidade de dados disponíveis, este tipo de análise visual se torna cada  vez mais difícil para ser feito por especialistas humanos”, avalia De Bom. “Adicionalmente,  diversos modelos de aprendizagem profunda têm se mostrado mais eficientes do que  humanos em certas análises visuais. A quantidade e a proporção de diferentes formas de  galáxias está associada à história de formação delas e das estruturas no Universo, como a  de aglomerados de galáxias.” 

Outro exemplo do uso de inteligência artificial se refere à aprendizagem de máquina para  obtenção das distâncias até objetos que estão além da nossa galáxia. Essa técnica permite  determinar a distância até o objeto através de uma análise estatística de seu brilho nos  filtros usados pelo projeto. “Para o treinamento do algoritmo, foram usados bancos de  dados fotométricos como o próprio S-PLUS, GALEX [um satélite destinado a observar no  ultravioleta], 2MASS e unWISE [projetos de mapeamento do céu inteiro no infravermelho]”,  explica Erik Vinícius de Lima, doutorando no IAG/USP e primeiro autor do artigo submetido  ao Astronomy and Computing detalhando o trabalho. 

O projeto S-PLUS é um projeto internacional com participação de pesquisadores de países  como Brasil, Argentina, Chile, EUA e Espanha, reunindo mais de 100 cientistas entre  pesquisadores e estudantes. O S-PLUS está sediado no IAG/USP em São Paulo-SP e tem  como pesquisadora principal Cláudia Mendes de Oliveira, professora titular da USP. Roderik  Overzier, pesquisador titular do Observatório Nacional, é cientista do projeto. O S-PLUS foi  fundado pela Universidade de São Paulo, Observatório Nacional, Universidade Federal de  Santa Catarina, Universidade Federal de Sergipe e Universidad de La Serena, com  importantes contribuições do INPE e CEFCA e financiamento de FAPESP, CNPq, CAPES,  FAPERJ e FINEP. 

A participação como membro do projeto S-PLUS (www.splus.iag.usp.br) é aberta a todos os  cientistas de instituições brasileiras. Vários pesquisadores brasileiros também fazem parte  das colaborações J-PLUS (www.j-plus.es) e J-PAS (www.j-pas.org), estes no hemisfério  norte, cujos dados, juntamente com o S-PLUS, cobrirão quase metade de toda a esfera  celeste.

Lista de Instituição participantes 

IAG/USP, ON, UFSC, NOAO, GMTO, NOIRLab, IF/USP, OV/UFRJ, UFRGS, UFS, FEI,  ULS, UNLP, UNIVAP, USP, IF/UFRJ, CBPF, FURG, Gemini, UNIFEI, UA, UESC, UFABC,  IMT, UFPR, CEFCA, University of Florida, IAA, CTIO, Universidad de Concepcion, FCAG UNLP, NAO China, U. de Talca, Chile, EWU, Swinburne U., FCAG-UNLP, UCSC, University  of Notredame, University of Barcelona, IAR, IUCAA, IAP, IAFE/UBA-CONICET, National  Observatory of Athens, UnB, UNC, IUCAA, Yunnan U, Universidad de Valparaiso, CNU. 

 

Recursos: 

Video sobre o projeto S-PLUS: https://youtu.be/yc5kHrHU9Jk 

Crédito: Southern Photometric Local Universe Survey (S-PLUS) 

Infográfico S-PLUS/DR2:  

https://drive.google.com/file/d/1pFmS43cahyUeE6SFw0FVjqxDofYAwJuN/view?usp=sharin g 

Crédito: Felipe de Almeida Fernandes/S-PLUS 

 

Referências: 

Data Release 2 of S-PLUS: accurate template-fitting based photometry covering ∼1000  square degrees in 12 optical filters 

https://arxiv.org/pdf/2104.00020.pdf 

Deep Learning Assessment of galaxy morphology in S-PLUS DataRelease 1 https://arxiv.org/pdf/2104.00018.pdf 

The Photometric Metallicity and Carbon Distributions of the Milky Way's Halo and Solar  Neighborhood from S-PLUS Observations of SDSS Stripe 82 

https://arxiv.org/pdf/2104.00016.pdf 

SPLUSJ210428.01-004934.2: An Ultra Metal-Poor Star Identified from Narrowband  Photometry 

https://arxiv.org/pdf/2105.04573.pdf 

Acesso ao novo banco de dados do S-PLUS 

https://splus.cloud/

 

Contatos: 

S-PLUS 

Cláudia Mendes de Oliveira 

Principal Investigadora 

 

Roderik Overzier
Cientista do Projeto
Observatório Nacional

overzier@on.br

Vinicius Placco

NSF's NOIRLab 

 

Clécio R. De Bom 

CBPF 

 

Lilianne Nakazono 

IAG/USP 

 

Felipe de Almeida Fernandes IAG/USP 

 

Ana Chies Santos 

UFRGS 

 

Charles Bonatto 

UFRGS 

 

 

Mídia 

Luciana Hiromi Silveira 

IAG/USP 

 

Cássio Leandro Barbosa FEI