2533: Super-computador criou 8 milhões de universos virtuais (e apontou falhas ao nosso)

CIÊNCIA

ESO/Beletsky/DSS1 + DSS2 + 2MASS

Uma equipa de astrónomos e cientistas da computação levou a cabo uma simulação computorizada que gerou mais de 8 milhões de universos virtuais, tentando esclarecer como se desenvolveu o nosso Universo.

A investigação, que levou um super-computador a operar mais de 400.000 horas, revelou que algumas das nossas ideias sobre a formação estelar podem estar parcialmente erradas. Em particular, o novo modelo permite reavaliar o papel da matéria escura na formação e evolução das galáxias e também no nascimento das estrelas.

“No computador, podemos criar muitos universos diferentes e compará-los com o real”, disse o astrónomo Peter Behroozi, da Universidade do Arizona, nos Estados Unidos, citado em comunicado. “Isto permite-nos deduzir que leis nos levaram ao [Universo] que vemos”, esclarece na mesma nota de imprensa.

Acredita-se que as estrelas se formam quando um nó numa nova de gás colapsa sobre o seu próprio peso, iniciando assim o processo de acumulação estelar. Acredita-se também que este gás seja refrigerante, uma vez que quanto mais quente for o gás, mais difícil será a formação das estrelas.

Nas últimas décadas, os cientistas encontraram várias evidências para este pressuposto em estudos sobre buracos negros super-massivos que habitam, por norma, o centro das galáxias. Quando estes enormes corpos celestes estavam activos, estes aqueceriam a matéria à sua volta, reduzindo a formação de estrelas mesmo que houvesse gás.

No entanto, nota a Russia Today, nem todas estas hipóteses foram confirmadas pelas simulações agora levadas a cabo pelos cientistas norte-americanos.

“À medida que recuamos mais cedo e mais cedo no Universo, esperamos que a matéria escura se torne mais densa e, portanto, o gás se torne cada vez mais quente”, explicou Behroozi. Contudo, este fenómeno seria prejudicial à formação estelar. Por isso, os cientistas acreditavam que muitas das galáxias do Universo inicial teriam parado de produzir estrelas há muito tempo.

Contudo, o modelo agora simulado sugere o exactamente o contrário: “galáxias de um determinado tamanho eram mais propensas a formar estrelas a uma taxa maior, ao contrário do esperado”.

Uma ideia mais clara dos “primeiros tempos”

Quando a equipa incluiu nas suas simulações um universo com estrelas sem brilho, os resultados do seu desenvolvimento foram bem diferentes do Universo real, tal como precisa o artigo científico publicado na edição de Setembro da revista científica especializada Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Neste cenário, as galáxias tinham uma cor diferente, muito mais vermelha do que esperado devido à falta de estrelas jovens de cor azul. Já nas simulações em que a formação estelar continuou, o universo virtual criado era muito semelhante ao Universo que conhecemos actualmente.

A formação de estrelas nas galáxias foi “muito mais eficiente nos primeiros tempos do que pensávamos”, admitiu a equipa. Tendo em conta estes resultados, Behroozi estima que a energia criada pelos buracos negros e estrelas que explodem não limitam assim tanto a formação continuada de estrelas.

ZAP //

Por ZAP
28 Agosto, 2019

 

2275: A primeira IA a simular o Universo sabe coisas que não devia

CIÊNCIA

(CC0/PD) myersalex216 / Pixabay

Uma equipa de investigadores conseguiu desenvolver o primeiro simulador do Universo utilizando Inteligência Artificial (IA), que consegue gerar imagens em 3D do Cosmos.

Como (ainda) não conseguimos viajar no tempo, a melhor forma de saber como foi formado o nosso Universo é criar simulações de computador usando o que sabemos sobre o Cosmos. A maioria das simulações pode ser dividida em dois grupos: ou são lentas e mais precisas, ou rápidas mas menos exactas.

Agora, uma equipa internacional de investigadores desenvolveu um sistema de Inteligência Artificial capaz de gerar simulações tridimensionais do Universo altamente precisas em milissegundos. Os resultados foram tão rápidos, precisos e robustos que nem os próprios astrofísicos entendem como é que a tecnologia conseguiu esta proeza.

“É como ensinar um software de reconhecimento de imagens com muitas fotografias de gatos e cães, que consegue reconhecer elefantes“, detalhou a cientista Shirley Ho, em comunicado. “Ninguém sabe como é que isto aconteceu. É um grande mistério a ser resolvido”, continuou, citada pelo Futurism.

Os cientistas explicaram ao pormenor o novo simulador do Universo – Modelo de Deslocamento de Densidade Profunda (D3M) – num novo artigo científico, publicado recentemente na Proceedings of National Academy of Sciences.

O objectivo dos investigadores era ensinar a ferramenta a simular de que forma a gravidade molda o Universo. Para isso, começaram a alimentar o sistema com 8.000 simulações distintas, focadas em gravidade e criadas por um simulador já existente e altamente preciso.

Esse sistema precisava de 300 horas de computação para criar apenas uma das suas simulações, mas a D3M conseguiu produzir as suas próprias simulações de um universo de cubos de 600 milhões de anos-luz em apenas 30 milissegundos.

Ainda assim, a velocidade não é a característica mais notável deste novo simulador. As simulações da D3M foram mais precisas do que as dos sistemas “rápidos” já existentes, que precisam de alguns minutos para criar uma única simulação.

A IA simulava com precisão a aparência do Universo mesmo que a equipa alterasse parâmetros que não foram inicialmente incluídos no treinamento. Ou seja, se os cientistas ajustassem a percentagem de matéria escura, a D3M conseguia, da mesma forma, simular com precisão a evolução do Universo.

Além de ajudar astrofísicos a entender melhor a evolução do Universo, este comportamento do simulador tem o potencial de ajudar os cientistas da computação a entender melhor a Inteligência Artificial.

“Podemos ser um playground interessante para um aprendiz entender por que motivo este modelo extrapola tão bem – por que extrapola para elefantes em vez de apenas reconhecer cães e gatos”, disse Ho, em comunicado. “É uma via de mão dupla entre a Ciência e o deep learning“.

ZAP //

Por ZAP
5 Julho, 2019

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1946: Asteróide destruiu a cidade de Nova Iorque numa simulação

CIÊNCIA

Andrew Rowe / Flickr

Na semana passada, a NASA e várias agências federais, juntamente com várias organizações internacionais, planearam um exercício que pode, no futuro, salvar milhões de vidas: simularam o que aconteceria se um asteróide fosse descoberto em rota de colisão com a Terra.

O exercício, parte da Conferência de Defesa Planetária, permite que os investigadores resolvam os desafios científicos, técnicos e políticos que terão que ser superados para proteger com sucesso o nosso planeta do impacto de um asteróide.

A simulação condensa oito anos de ficção em cinco dias. Graças a observações terrestres, descobriu-se que o asteróide fictício 2019 PDC tem uma probabilidade de 1 em 100 de atingir a Terra. No Dia 2, calcula-se que o risco é agora de 1 em 10 e provavelmente atingirá Denver, Colorado, em 29 de Abril de 2027.

As fases de planeamento das missões de reconhecimento e de defesa aumentam um pouco. No dia 3, no final de Dezembro de 2021, a primeira nave de reconhecimento chegou ao asteróide. Na missão de deflexão, várias naves devem entrar no asteróide em Agosto de 2024 para retirá-lo da órbita.

O dia 4 começou alguns dias depois da deflexão e trouxe boas notícias e algumas más. O corpo principal do asteróide foi desviado com sucesso, mas um fragmento com entre 50 e 80 metros de tamanho ainda estava em rota de colisão com a Terra – mais especificamente a cidade de Nova Iorque. Além disso, os detritos libertados pelo impacto destruíram a nave de reconhecimento, tornando muito mais difícil saber o que estava a acontecer.

“Precisamos nos desafiar e fazer as perguntas difíceis. Não se aprende nada se não se estudar o pior caso possível a cada dia”, explicou Paul Chodas, director do Centro de Estudos de Objectos da Terra no JPL da NASA, e criador do cenário, em comunicado.

Tendo ficado sem opções, a equipa reformulou a opção nuclear que foi discutida no segundo dia, mas foi arquivada devido a controvérsias e riscos generalizados. Os investigadores analisaram o envio de um dispositivo nuclear de 300 quilotonatos para explodir a menos de 145 metros do fragmento de asteróide, o que poderia desviá-lo ou fragmentá-lo, mostraram os cálculos.

Mas mesmo com a confiança nos números – a mesma estratégia conseguiu salvar Tóquio na simulação do ano passado – a missão não pôde ser implementada devido a divergências políticas e o asteróide não pôde ser parado. Tudo o que restava era preparar Nova Iorque para o impacto.

O dia 5 começou apenas 10 dias antes do impacto. O asteróide entraria na atmosfera a 19 quilómetros por segundo e libertaria o equivalente a 5-20 megatons de energia na explosão. Explodiria a cerca de 15 quilómetros acima do Central Park, destruindo a cidade e criando um raio “não-seguro” de 15 quilómetros.

Nesse cenário, é o trabalho da Agência Federal de Gestão de Emergências (FEMA) de evacuar e realojar dez milhões de pessoas, os seus animais de estimação e pertences, proteger instalações nucleares e químicas na área e transferir obras de arte. O tom da conversa mudou do técnico e científico, para o sociológico, legal e político.

“Este exercício é valioso na medida em que continua o trabalho actualmente em andamento para identificar as principais questões para este cenário de baixa probabilidade, mas de altas consequências”, disse Leviticus Lewis, da FEMA.

Tóquio salvou-se no exercício do ano passado, mas outras vítimas fictícias de asteróides incluem a Riviera Francesa, Daca e Los Angeles. No entanto, a probabilidade de um asteróide impactar a Terra permanece altamente improvável e os exercícios são planeados para ser o pior caso dentro do campo de possibilidades. O próximo exercício acontecerá em Viena em 2021.

ZAP // IFL Science

Por ZAP
9 Maio, 2019

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1841: No vigésimo aniversário do Matrix, cientista do MIT afirma que vivemos numa simulação

Rizwan Virk, cientista do Massachusetts Institute of Technology (MIT), disse numa entrevista recente que estamos, muito provavelmente, a viver numa simulação.

“Diria que há mais probabilidade de estarmos a viver numa simulação do que o contrário”, afirmou Rizwan Virk, cientista do Massachusetts Institute of Technology (MIT), numa entrevista concedida recentemente à Digital Trends.

Durante a entrevista, o cientista delineou os traços fundamentais do seu novo livro, The Simulation Hypothesis, que investiga a teoria de que o Universo pode mesmo ser mais parecido com um jogo de computador do que com uma realidade física absoluta.

“Quem criou a nossa provável simulação gostaria de ver, dadas as escolhas aleatórias que fazemos, onde é que, enquanto civilização, acabaríamos”, sustenta o cientista, adiantando algumas hipóteses possíveis: “Iríamos destruir-nos? Criaríamos armas nucleares? Ou desenvolveríamos a nossa própria simulação?

Virk adiantou que não acha necessariamente que o facto de estarmos a viver numa simulação tenha um propósito, como ultrapassar obstáculos e ver, por exemplo, se conseguimos lidar com as alterações climáticas. “Em vez disso, assim como acontece em qualquer jogo online multiplayer, cada personagem tem seu próprio conjunto individual de missões e a liberdade de escolha para decidir o que fazer a seguir.”

A hipótese de que a realidade física é uma ilusão e todos nós estamos a viver dentro de uma simulação de computador foi notoriamente abordada em 1999, no filme The Matrix, e é agora explorada pelo investigador do MIT.

(dr) Warner Bros.
The Matrix, 1999

Será que somos todos programas de Inteligência Artificial (IA), que são executados em servidores subterrâneos de uma civilização futura avançada? Será que as nossas mentes estão a ser escravizadas enquanto os nossos corpos alimentam um planeta utópico? Não sabemos. Certo é que Virk suspeita disso mesmo, e vais mais longe, afirmando que há mais hipóteses de esta teoria estar correta do que não estar.

Vinte anos depois, o The Matrix continua a ser uma teoria plausível, pelo menos para alguns. Dentro deste grupo insere-se Nick Bostrom, professor da Universidade de Oxford, que escreveu um artigo em 2003 que explora esta hipótese, apresentando um argumento estatístico inteligente para a hipótese da simulação.

Imagine que uma civilização chega ao ponto de simulação capaz de criar “simulações ancestrais” altamente realistas. Com mais poder de computação, esses seres são capazes de desmembrar novos servidores e novas civilizações num ápice. Por sua vez, cada um desses servidores pode ter biliões de seres simulados dentro deles.

Por esse motivo, Bostrom defendia que o número de seres simulados é muito superior ao número de seres biológicos. E Virk é da mesma opinião.

Actualmente, usamos simulações de computador para prever interacções planetárias e jogamos videojogos por entretenimento. Mas a hipótese está em cima da mesa: em vez de jogadores, podemos mesmo ser meros personagens de um jogo da vida real.

LM, ZAP //

Por LM
13 Abril, 2019

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1119: NOVA SIMULAÇÃO LANÇA LUZ SOBRE BURACOS NEGROS SUPERMASSIVOS EM ESPIRAL

Esta animação gira 360 graus em redor de uma versão “parada no tempo” da simulação e no plano do disco.
Crédito: Centro de Voo Espacial Goddard da NASA

Um novo modelo está a aproximar os cientistas da compreensão dos tipos de sinais de luz produzidos quando dois buracos negros supermassivos, que têm milhões a milhares de milhões de vezes a massa do Sol, espiralam em direcção a uma colisão. Pela primeira vez, uma nova simulação de computador que incorpora completamente os efeitos físicos da teoria da relatividade geral de Einstein mostra que o gás em tais sistemas irá brilhar predominantemente no ultravioleta e em raios-X.

Por norma, cada galáxia com o tamanho da nossa Via Láctea ou maior contém um monstruoso buraco negro no seu centro. As observações mostram que as fusões de galáxias ocorrem com frequência no Universo mas, até agora, ninguém viu uma fusão destes gigantescos buracos negros.

“Sabemos que as galáxias com buracos negros supermassivos centrais se fundem regularmente no Universo, mas só vemos uma pequena fracção de galáxias com dois perto dos seus centros,” comenta Scott Noble, astrofísico do Centro de Voo Espacial Goddard da NASA em Greenbelt, no estado norte-americano de Maryland. “Os pares que vemos não emitem sinais fortes de ondas gravitacionais porque estão muito longe um do outro. O nosso objectivo é identificar – apenas com a luz – pares ainda mais íntimos dos quais os sinais de ondas gravitacionais podem ser detectados no futuro.”

O artigo que descreve a análise da nova simulação da equipa foi publicado no dia 2 de Outubro na revista The Astrophysical Journal e está disponível online.

Os cientistas detectaram a fusão de buracos negros de massa estelar – que variam entre cerca de 3 a várias dúzias de massas solares – usando o LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) da NSF (National Science Foundation). As ondas gravitacionais são ondulações no espaço-tempo que viajam à velocidade da luz. São criadas quando objectos massivos em órbita, como buracos negros e estrelas de neutrões, espiralam na direcção um do outro e se fundem.

As fusões supermassivas serão muito mais difíceis de encontrar do que os seus homólogos de massa estelar. Uma razão pela qual os observatórios terrestres não podem detectar ondas gravitacionais destes eventos é porque a própria Terra é demasiado barulhenta, tremendo com vibrações sísmicas e mudanças gravitacionais decorrentes de perturbações atmosféricas. Os detectores têm que estar no espaço, como a missão LISA (Laser Interferometer Space Antenna) da ESA, com lançamento planeado para a década de 2030. Os observatórios que monitorizam conjuntos de estrelas super-densas e de rápida rotação, chamadas pulsares, podem detectar ondas gravitacionais de fusões monstruosas. Como faróis, os pulsares emitem feixes regulares de luz que passam pela nossa perspectiva da Terra enquanto giram. As ondas gravitacionais podem provocar pequenas mudanças no tempo destes flashes, mas até agora os estudos não produziram qualquer detecção.

Mas os binários supermassivos perto da colisão podem ter uma coisa que os binários de massa estelar não têm – um ambiente rico em gás. Os cientistas suspeitam que a explosão de super-nova que produz um buraco negro estelar também afugenta a maior parte do gás circundante. O buraco negro consome o pouco que resta tão rapidamente que não sobra muito para brilhar quando a fusão acontece.

Por outro lado, os buracos negros supermassivos resultam de fusões de galáxias. Cada buraco negro super-massivo traz com ele uma comitiva nuvens de gás e poeira, estrelas e planetas. Os cientistas pensam que uma colisão galáctica impulsiona grande parte deste material na direcção dos buracos negros centrais, que o consomem numa escala de tempo semelhante à necessária para a fusão do binário. À medida que os buracos negros se aproximam, as forças magnéticas e gravitacionais aquecem o gás restante, produzindo luz que os astrónomos são capazes de observar.

“É muito importante prosseguir de duas formas,” afirma a co-autora Manuela Campanelli, directora do Centro para Relatividade e Gravitação Computacional do Instituto de Tecnologia de Rochester, em Nova Iorque, que iniciou o projecto há nove anos. “A modelagem desses eventos requer ferramentas computacionais sofisticadas que incluem todos os efeitos físicos produzidos por dois buracos negros supermassivos que se orbitam um ao outro a uma fracção da velocidade da luz. Saber quais os sinais de luz que podemos esperar, destes eventos, vai ajudar à identificação em observações modernas. A modelagem e as observações serão então alimentadas umas às outras, ajudando-nos a melhor compreender o que acontece nos corações da maioria das galáxias.”

A nova simulação mostra três órbitas de um par de buracos negros supermassivos a apenas 40 órbitas da fusão. Os modelos revelam que a luz emitida neste estágio do processo de fusão pode ser dominada pela radiação ultravioleta com alguns raios-X altamente energéticos, semelhante ao que é visto em qualquer galáxia com um buraco negro super-massivo bem alimentado.

Três regiões de gás emissor de luz brilham à medida que os buracos negros se fundem, todas ligadas por correntes de gás quente: um grande anel que rodeia todo o sistema, chamado disco circumbinário, e dois mais pequenos em redor de cada buraco negro, chamados mini-discos. Todos estes objectos emitem predominantemente raios UV. Quando o gás flui para um mini-disco a uma alta velocidade, a luz ultravioleta do disco interage com a coroa do buraco negro, uma região de partículas subatómicas altamente energéticas acima e abaixo do disco. Esta interacção produz raios-X. Quando a taxa de acreção é mais baixa, a radiação UV diminui em relação aos raios-X.

Com base na simulação, os investigadores esperam que os raios-X emitidos por uma fusão próxima sejam mais brilhantes e mais variáveis do que os raios-X vistos em buracos negros supermassivos individuais. O ritmo das mudanças está ligado à velocidade orbital do gás, localizado na fronteira interior do disco circumbinário, bem como à velocidade orbital dos buracos negros em fusão.

“A maneira como ambos os buracos negros reflectem luz dá origem a efeitos complexos de lente,” realça Stéphane d’Ascoli, estudante de doutoramento na Écola Normale Supérieure em Paris, autor principal do artigo. “Algumas características exóticas foram uma surpresa, como as sombras em forma de sobrancelha que um buraco negro cria ocasionalmente perto do horizonte do outro.”

A simulação correu no supercomputador Blue Waters do Centro Nacional de Aplicações de Super-computação da Universidade do Illinois em Urbana-Champaign. A modelagem das três órbitas do sistema levou 46 dias em 9600 núcleos de computação. Campanelli disse que a colaboração recebeu recentemente um tempo adicional para utilização do Blue Waters a fim de continuar o desenvolvimento dos seus modelos.

A simulação original estimou as temperaturas do gás. A equipa planeia refinar o seu código para modelar como os parâmetros variáveis do sistema, como por exemplo a temperatura, distância, massa total e taxa de acreção, afectam a luz emitida. Estão interessados em ver o que acontece com o gás que viaja entre os dois buracos negros, além de modelar períodos de tempo mais longos.

“Nós precisamos de encontrar sinais na luz buracos negros supermassivos binários distintos o suficiente para que os astrónomos possam encontrar esses sistemas raros por entre a multidão de buracos negros supermassivos,” comenta o co-autor Julian Krolik, astrofísico da Universidade Johns Hopkins em Baltimore, EUA. “Se pudermos fazer isso, podemos descobrir a fusão de buracos negros supermassivos antes que sejam vistos por um observatório de ondas gravitacionais espacial.”

Astronomia On-line
9 de Outubro de 2018

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