Como se “fotografa” um buraco negro? Com algoritmos e muito trabalho

A notícia inundou os feeds durante uma tarde banal de quarta feira. Anunciava-se mais uma fotografia que para o Homem e a Humanidade seria uma grande fotografia: o primeiro registo fotográfico de um buraco negro. Os headlines fizeram sensação pela proximidade que temos com a questão da fotografia, mas será que alguém ficou realmente a saber como se fotografa um buraco negro?

A verdade é que não se trata propriamente de uma fotografia; o grande feito científico que se anunciou, mas de forma pouco concreta, foi mesmo o desenvolvimento de um método, que não é propriamente fotografia, capaz de transformar informação que chega aos telescópios numa imagem visualmente perceptível para os humanos.

O surgimento do termo “fotografia” é por mera apropriação, se lermos o estudo publicado no The Astrophysical Journal of Letters não encontramos nenhuma incidência do termo na sua tradução literal em inglês photography. O termo usado ao longo da descrição dos resultados do estudo é imaging, reforçando a ideia de que o foco foi precisamente arranjar uma forma de criar uma imagem suficiente fidedigna do acontecimento, minimizando os erros relacionados com as influência do humano e maximizando o detalhe ao cruzar resultados de diferentes fontes.

The black hole in M87 appears 7 micro-arcseconds wide in the sky–that is, 1/250,000,000th the size of the full Moon. Getting a picture required a truly heroic effort. #EventHorizonTelescope pic.twitter.com/vqgjWYHjFU

— Corey S. Powell (@coreyspowell) April 10, 2019

Uma máquina fotográfica do tamanho da Terra

Em vez de uma máquina fotográfica – com um sensor de luz, um tempo de exposição e um diâmetro de abertura —, a imagem que percorreu mundo esta quartafeira foi conseguida através de um complexo sistema de observação espacial. O Event Horizon Telescope (EHT) é uma rede de oito dos mais potentes telescópios localizados em diferentes geografias da terra e controlados por um total de mais de 200 cientistas. Do Atacama Large Milimeter Array (ALMA), no Chile, até ao South Pole Telescope (SPT), na Antárctica, passando pelo equipamento que se encontra na Serra Nevada, em Espanha, os oito telescópios foram apontados para a Galáxia M87 para que, cruzando as suas observações, se obtivesse mais informação e maior detalhe. A ideia geral é que combinando vários telescópios se aumenta o raio de observação, criando-se um telescópio virtual do tamanho da própria Terra e com uma potência, como se refere no site que permitiria ler um jornal posicionado em Nova Iorque de um passeio em Paris.

Os telescópios combinados recolheram petabytes de informação (unidade com mais três zeros que o terabyte) — cerca de 350 terabytes por dia de observação, cada telescópio —, que posteriormente foram combinados através de algoritmos em dois computadores diferentes, um no Max Planck Institute for Radio Astronomy e outro no MIT Haystack Observatory.

OS telescópios envovidos foram: ALMA, APEX, o IRAM 30-meter Telescope, o IRAM NOEMA Observatory, o James Clerk Maxwell Telescope (JCMT), o Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano (LMT), o Submillimeter Array (SMA), o Submillimeter Telescope (SMT), the South Pole Telescope (SPT), o Kitt Peak Telescope e o Greenland Telescope (GLT).

O procedimento

O feito foi de tal forma trabalhoso que o seu resultado foi apresentado em seis papers científicos diferentes, sendo cada um dedicado a uma parte do processo. A descoberta só foi possível com avanços científicos coordenados em várias áreas: no plano teórico de conhecimento do cosmos, no plano da coordenação dos oito telescópios e no plano da computação – complexos algoritmos foram fundamentais no tratamento dos dados e na sua transformação em imagens. De resto, o que esta quarta-feira se tornou público resulta de observações feitas em 2017, depois de sujeitas ao complexo tratamento.

Mas vamos por partes para que, mesmo que não percebamos ao detalhe ,consigamos ter mais pistas sobre como o resultado final se tornou possível. Primeiro percebamos que tudo o que os telescópios captam é luz e que todo o trabalho é feito posteriormente com o processamento dessa informação através de uma série de técnicas que fazem corresponder a intensidade e o brilho a determinadas características. O cruzamento da informação obtida pelos vários telescópios serve para minimizar as falhas na informação sobre uma determinada área, fruto da distância entre o centro de observação e o fenómeno observado.

Na explicação ao público feita pela equipa de investigação, compara-se a cada medida obtida telescopicamente como se se tratasse de uma nota musical de uma música maior:

“Observar o buraco negro com o EHT é um bocado como ouvir uma música que está a ser tocada num piano com muitas teclas partidas. Se tivéssemos telescópios em todo o lado do globo nós seriamos capazes de ouvir todas as novas, e posteriormente uma rendição perfeita do som. Contudo, só temos alguns telescópios em algumas localizações por isso temos de reconhecer o som mesmo que só sejam tocadas algumas teclas.”

Nesta fase de captação e para minorar os erros respeitou-se, claro está, a essência método científico. Na primeira fase, os investigadores foram divididos em quatro equipas que, sem contactar com o trabalho dos demais, produziu imagens utilizando um método já utilizado anteriormente e novas técnicas e algoritmos, entre eles, o CHRIP (Continuos High-Resolution Imagem Reconstruction using Priors) criado por uma equipa liderada pela investigadora do MIT Katie Bouman em cooperação com outros dois institutos, o Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics e outro departamento do MIT. O objectivo deste algoritmo era precisamente transformar todo o planeta numa espécie de prato de telescópio de captação de sinais de radio. O CHRIP é um algoritmo que transforma os resultados obtidos por interferometria em imagens visualmente perceptíveis.

Como se pode ver sucintamente exemplificado na imagem abaixo, ao mesmo set de dados podem corresponder várias visualizações. Assim, parte do trabalho dos investigadores foi também perceber qual dos métodos de aproximação permitia uma imagem mais perceptível do que os demais. É preciso ter em conta que estamos a falar da observação de um fenómeno que, embora tenha 6,5 mil milhões de vezes a massa do Sol, se situa a mais de 55 milhões de anos-luz da Terra o que aumenta o nível de ruído das visualizações.

Sobre a teoria de Einstein

Apesar de popularmente ter voltado a ideia simplificada de que a Teoria da Relatividade Geral, de Einstein, foi com esta fotografia finalmente provada… não é bem assim: a teoria de Einstein já havia sido comprovada em alguns fenómenos; neste caso, a novidade é ter-se verificado o comportamento que Einstein previa para os buracos negros. Anteriormente, já haviam sido detectadas evidências desta teoria, aproximando um relógio atómico do centro da Terra e verificando que o tempo passava mais devagar, e pela alteração da órbita dos planetas mais próximos do Sol – dois fenómenos que batem certo com os cálculos de Einstein.

A Teoria da Relatividade Geral relaciona a curvatura espaço/tempo à distribuição e ao movimento da energia, incluindo da matéria – para Einstein também ela um tipo de energia. O físico prevera que num buraco negro o fenómeno resultaria numa espécie de anel de fogo em torno de um centro escuro algo que acabou por se verificar – são os fotões emitidos pelos gases que são absorvidos pelo buraco negro que começam a orbitar o seu centro. A prova observacional da teoria de Einstein relaciona-se precisamente com a forma da zona negra, uma vez que existiam outras teorias sobre gravidade com propostas diferentes sobre como seria esta forma.