A astrofísica brasileira que simula buracos negros com inteligência artificial e é fenômeno nas redes

A astrofísica Roberta Duarte ficou emocionada quando assistiu à divulgação da primeira foto de um buraco negro feita na história, a do que se situa no centro da galáxia M87, a cerca de 55 milhões de anos-luz da Terra.

Era 10 de abril de 2019 e ela não conseguia sequer descrever o que sentia ali num auditório do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas da Universidade de São Paulo, o IAG-USP, seu local de estudo.

"Eu não sabia se chorava, se ria, o que fazia", diz a pesquisadora à BBC News Brasil ao lembrar do momento.

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O feito científico do Event Horizon Telescope, o Telescópio Horizonte de Eventos (projeto de colaboração internacional entre cientistas e que reúne radiotelescópios em oito regiões do mundo), mexeu com as emoções da doutoranda em astronomia por tratar de sua paixão e seu objeto de trabalho. Afinal, assim como a equipe do EHT, Roberta tenta descobrir os mistérios dos buracos negros. E para isso, a jovem de 26 anos usa a inteligência artificial.

Além de seu trabalho, ela se tornou uma das personalidades mais conhecidas entre divulgadores de ciência no Brasil. No Twitter, ela tem mais de 118 mil seguidores e no Instagram eles já somam mais de 37 mil, e ela coleciona passagens por canais de mídia, onde divulga a Física.

Inteligência artificial

O casamento de astrofísica e ciência da computação é o eixo de sua dissertação de mestrado, que simula o funcionamento de um buraco negro a partir de aprendizado de máquina, e foi publicado em março deste ano em edição da revista científica Monthly Notices, da associação inglesa Royal Astronomical Society, sob o título Black hole weather forecasting with deep learning: a pilot study ("Previsão das condições atmosféricas de um buraco negro com aprendizado de máquina: um estudo piloto", em português).

Assinada também pelo astrofísico e professor da USP Rodrigo Nemmen e pelo cientista da computação João Paulo Navarro, arquiteto de soluções da empresa de computação gráfica Nvidia, a tese é fruto de pesquisa desenvolvida por Roberta desde 2019 e pioneira ao trilhar o caminho da inteligência artificial para buscar entender mais sobre esses objetos celestes.

A ideia veio não só pelo avanço da tecnologia em si, mas também como forma de acelerar o processo, já que o estudo é complexo. "Tem muita coisa envolvida : campos magnéticos, equações de Maxwell, relatividade geral", enumera a doutoranda.

Tentar montar um projeto desses por vias mais tradicionais demanda tempo pela abrangência dos cálculos, além do cruzamento da enorme quantidade de dados necessários na astronomia.

Ao ser questionada a respeito de quão complexo pode ser o método, Roberta explica as variáveis das operações envolvidas.

"São equações de conservação, então, a gente tem conservação de massa, conservação de energia, conservação do momento e cada uma dessas são equações EDP, as equações diferenciais parciais, que dependem de variadas, ou seja, variações de parâmetros", diz ela. "E se você está prevendo três parâmetros, são três equações e uma depende da outra. Então, uma equação afeta a outra."

No processo, se vão alguns dias para cálculos considerados mais simples e até um mês para resultados com maior complexidade. "São cálculos numéricos, mas muito demorados porque se precisa de fato resolver a equação", afirma a pesquisadora. "Com a inteligência artificial, não. Ela aprende a física do que está acontecendo e retorna com os resultados."

O segredo para a máquina aprender física está em algo intrínseco a esse tipo de tecnologia. "Você não precisa da matemática de fato. Ela olha padrões e entende os padrões sem resolver a física", afirma Roberta, citando pensamento de um dos pioneiros da inteligência artificial, o canadense Yoshua Bengio, vencedor do Turing de 2019, o prêmio Nobel da computação. "Se tende a achar que a inteligência artificial é boa na lógica, mas ela é boa para reconhecer padrão", diz ela.

Uma vez traçado o caminho e acompanhada de seu orientador na pesquisa, o professor Rodrigo Nemmen, e do cientista da computação João Paulo Navarro, a astrofísica optou então por se inspirar em um modelo de rede neural chamado U-Net.

Criada em 2015 para fazer exames biomédicos mais precisos pelos pesquisadores Olaf Ronneberger, Philipp Fischer e Thomas Brox, da Universidade de Freiburg, na Alemanha, a arquitetura digital mostrou-se muito interessante para o trabalho de Roberta, pois mais do que exibir bons resultados com as imagens, ela também se desenvolvia bem com vídeos.

E a máquina parte justamente de vídeos para apresentar o que pode acontecer ao redor do objeto de estudo, detentor de uma gravidade tão brutal que nem a luz escapa dela.

"Imagina como se fosse um vídeo de um buraco negro no centro só que, em vez de ser uma imagem bonitinha, de luz, como a do Gargantua, do Interestelar, o que a gente tem é a densidade em cada ponto do frame", explica a astrofísica sobre o método da pesquisa à BBC News Brasil.

"No meu trabalho de mestrado, a gente utilizou a densidade porque ela é mais visual, trabalha melhor com imagem."

Assim, alimenta-se a máquina com a imagem, as camadas de densidade, e então vem o resultado. "Ela vai retornar uma imagem com esses pesos. E, no final, essa imagem que ela retornou é comparada com a que a gente espera", diz Roberta.

"Aí você calcula o erro entre as duas. O quão errada aquela que ela devolveu está ao que você espera."

A taxa de erro foi de 0,8% para simulações simples e de 2% para simulações avançadas. Já a aceleração nos cálculos foi de 32.000 vezes em simulações consideradas mais simples e de 7.000 vezes para simulações inéditas para o algoritmo.

Segundo a pesquisadora, o processo de montar do zero a máquina inspirada na U-Net, treiná-la, testá-la e enfim alcançar com ela os resultados durou cerca de um ano e meio.

E o trabalho em equipe fez diferença.

"O João Paulo , como cientista da computação, foi essencial para nos dar direções porque eu e o Nemmen somos físicos de formação", lembra Roberta, que teve de lidar com a unidade de processamento GPU, feita para gráficos e renderização de imagens.

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O professor Nemmen, por sua vez, foi quem levantou a bola da inteligência artificial.

A sugestão apareceu em uma conversa entre os dois, na qual Roberta falava a respeito de redes neurais e de como gostava do tema. Era um tempo em que ela ainda trabalhava com simulações numéricas, sem a ajuda de deep learning, o aprendizado de máquina.

"Então, ele teve a ideia: e se a gente propusesse um novo método de simular?", recorda ela.

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À época, Nemmen andava estudando exatamente esse tipo de tecnologia. "Fiquei empolgado com a perspectiva de aplicação dos algoritmos de inteligência artificial em astrofísica", lembra o professor em entrevista por e-mail para a BBC News Brasil.

"Propus uma mudança radical no projeto da Roberta para passar a ser a aplicação de inteligência artificial nessas simulações de buracos negros, e ela topou."

Para o professor Nemmen, o processo de "idas e voltas, de tentativas e erros" tem sido, de acordo com suas próprias palavras, uma "montanha-russa emocional" desde o início.

"Vivendo os altos quando obtínhamos resultados interessantes, no sentido da IA conseguir aprender sobre a dieta do buraco negro, ao ser alimentada com dados, mas também os baixos, quando encontrávamos desafios no tratamento dos dados. Ou quando encontramos o lado negro da IA: os pontos onde a inteligência artificial falha."

Nemmen considera o trabalho uma via de pista dupla, com resultados em desenvolvimento nos dois campos.

"Fazemos ciência da mais alta qualidade — e inovadora — no nosso país apesar das investidas do atual governo federal contra a ciência básica. Não há ninguém mais simulando buracos negros com inteligência artificial no mundo, por exemplo, além do meu grupo ", diz o professor. "Este é um tópico de pesquisa ativo tanto em astrofísica quanto em ciência da computação".

A pista dupla alcança também o coração de Roberta, pois o computador é um amor de berço.

História de amor

Nascida em Mogi das Cruzes, cidade paulista a 57 quilômetros de distância de São Paulo, Roberta é filha de uma ex-estudante de direito e de um analista de sistemas.

Sua história de amor com a informática e as telas surgiu na infância, como uma herança paterna portanto. "Eu até brinco que o computador foi quase uma babá, junto com meu pai, porque ele estava sempre ali comigo, ensinando e mostrando como funcionava, mexendo no computador", lembra a astrofísica.

O gosto pela tecnologia foi crescendo e nunca diminuiu, tanto que, às vezes, como no meio de uma das três entrevistas que deu à BBC News Brasil, ela se pergunta "como é que eu não fui fazer ciência da computação?". À própria questão, Roberta responde "que deu certo, tudo se juntou", já que trabalha diretamente com inteligência artificial hoje.

Ao prazer tecnológico se juntou aos poucos o da leitura, incentivado pelos pais, que lhe davam livros de presente. Desta forma, entre páginas de revistas, como Recreio, Superinteressante e Ciência Hoje das Crianças, e do contato com o personagem Astronauta, das histórias em quadrinhos da Turma da Mônica, surgiu um interesse pela astronomia.

E não deu outra: aparecia ali mais uma área para Roberta explorar a fundo. "Quando eu era criança, achava que ia ser astrônoma, 100% astrônoma, de olhar telescópio", diz ela.

O próximo passo veio por acaso. Fã das leituras sobre ciência, a menina estava um dia em uma unidade das lojas Americanas, em Mogi das Cruzes, quando viu numa cesta o livro Buracos Negros - Uma viagem ao centro de um buraco negro - Um dos maiores mistérios do Universo (Editora Moderna, de 1997), de Heather Couper (1949-2020) e Nigel Henbest.

A obra a fisgou à primeira vista. "Aquele livro explica tudo o que os buracos negros são, os fenômenos, o que eles fazem, como são formados", explica ela sobre a publicação, da qual guarda um exemplar na casa dos pais até hoje.

"Lembro que eu li aquilo, com 10 anos, e não entendia a teoria da relatividade geral, as equações. Mas ficava lendo e lendo e lendo, como se estivesse entendendo tudo", recorda. "A partir daí eu me apaixonei por buracos negros e eles viraram meus objetos favoritos."

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Mas a garota não optaria nem pela ciência da computação tampouco pela astronomia na hora de escolher um curso na faculdade.

Pois um valor mais alto se levantava no ensino médio, mais precisamente nas salas do colégio particular Tomás Agostinho, onde tinha uma bolsa de estudos, em Mogi das Cruzes.

"Eu me apaixonei por física e, já nas primeiras aulas, achei incrível", lembra. "Tinha a questão de que gostava de ciência, então, a física entrava como ferramenta para explicar."

Assim, ela deixou sua cidade natal para morar em São Carlos, a 232 quilômetros da capital do Estado, São Paulo, e fazer faculdade no Instituto de Física de São Carlos (IFSC), da USP.

Lá, além de aprender os conceitos e teorias da ciência, Roberta descobriu algumas coisas.

Uma delas foi a importância de ter escolhido exatamente aquele curso. "Eu não seria nada se não fosse a física", diz ela sem pestanejar.

"Não consigo me imaginar fazendo outra coisa porque a física abriu todas as portas que eu queria. A computacional, a astrofísica. E mesmo trabalhando com inteligência artificial, a bagagem matemática para entender, aplicar e até criar os modelos veio com a física."

Outra foi a experiência de ser uma mulher formada neste curso. "A física ainda é uma área predominantemente masculina. Quando entrei , tinha 40 alunos na turma e só duas mulheres: 38 homens e duas mulheres", relembra.

"Chega a ser machista às vezes porque são acostumados com aluno homem. Então, quando entra uma mulher, acaba sendo um choque", diz a astrofísica, que afirma, porém, ter tido sorte, já que os colegas de turma na graduação "sempre respeitaram" sua capacidade.

Mas, conta ela, não é raro ouvir dentro de um curso de física comentários do tipo "mulher não sabe programar".

Para tentar mudar o cenário em sua área de atuação e também aumentar o número de interessados em inteligência artificial, a astrofísica lista entre os objetivos "inspirar pessoas a seguirem carreira em física computacional", como se pode ler em seu site.

"Ainda tem uma certa resistência da parte dos pesquisadores com a inteligência artificial porque é uma coisa muito nova e coisas muito novas acabam assustando as pessoas", diz.

"É importante mostrar que dá para utilizá-la dentro da astronomia, da física. Tem muita coisa que pode ser feita. Então, quanto mais gente estiver trabalhando nisso, melhor."

Mostrar e compartilhar, aliás, são partes importantes na rotina diária de Roberta.

Como um milhão de pequenas estrelas brilhantes

O professor Rodrigo Nemmen conhece Roberta Duarte desde os tempos em que a então aluna de física o procurou para um projeto de iniciação científica.

Hoje doutoranda na USP, ela é vista por seu orientador não apenas como alguém que "tem um potencial imenso", mas um "rosto da astrofísica" para os mais jovens.

"Sei que ela é extremamente popular no Twitter e Instagram pela empolgação que consegue transmitir pela astronomia", diz Nemmen.

A definição de seu orientador é explicada ao se observarem os números das redes sociais de Roberta. No Twitter, ela tem mais de 118 mil seguidores e no Instagram eles já somam mais de 37 mil.

Nos perfis, ela explica temas da ciência como a Teoria das Cordas e a impossibilidade de se ultrapassar a velocidade da luz ou comenta a respeito de baixíssimas temperaturas registradas em crateras da Lua (-248 °C).

Também indica livros sobre astronomia e astrofísica, casos de Uma breve história do tempo (de 1988, da editora Intrínseca), de Stephen Hawking (1942-2018), e Origens (de 2004, da editora Planeta), de Neil deGrasse Tyson e Donald Goldsmith, além de apresentar ao público que a acompanha cientistas como a física austríaca Lise Meitner (1878-1968).

Sem deixar de lado, claro, a sua especialidade, os buracos negros.

"Eu sempre gostei de divulgar, de falar de ciência de uma forma acessível", diz a mestre em astronomia. "De mostrar o que estou estudando, aprendendo, e postar nas redes sociais."

A vontade de compartilhar conhecimento dessa forma, no entanto, não caminhava junto ao apreço por essas plataformas. "Nunca fui muito fã de rede social", diz.

O jogo só virou quando chegou a São Paulo para o mestrado na USP e passou a conversar com uma colega, a astrônoma Geisa Ponte.

"Ela tinha um projeto chamado #AstroThreadBR no Twitter, que era basicamente escrever threads de astronomia com linguagem acessível", lembra Roberta.

Na ocasião da festa de aniversário de Roberta, dois dias após a apresentação da primeira foto de um buraco negro, em abril de 2019, as duas se encontraram e Geisa lhe sugeriu a ideia.

"A gente começou a conversar sobre isso, e ela falou 'por que você não escreve uma thread sobre a foto? Já que você trabalha com isso, seria legal fazer uma thread'", conta.

Então, iniciou a jornada de falar a respeito de ciência na internet, a ser convidada para podcasts e, inclusive, a escrever com o objetivo da divulgação científica em vídeos. Hoje, ela é roteirista do canal "Ciência Todo Dia", de Pedro Loos, que conta com mais de 3 milhões de inscritos no YouTube.

Como um milhão de pequenas estrelas brilhantes que acabaram de se alinhar, Roberta foi vendo o número de seguidores (e de notificações) aumentar. "É difícil acompanhar", conta ela, ao mesmo tempo em que afirma tentar sempre responder as mensagens.

"Precisamos de mais pessoas assim", argumenta Rodrigo Nemmen. "Nosso país precisa de mais astrônomas, físicas, matemáticas; todo esforço de divulgação científica no Twitter, Instagram, TikTok - e, é claro, na imprensa tradicional - é importantíssimo."

Olhe o que você me fez fazer

Sentada na sala onde trabalha, no Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas da Universidade de São Paulo, o IAG-USP, Roberta Duarte se anima ao falar do tema de seu estudo e de possíveis aplicações das pesquisas acerca das mais misteriosas regiões espaciais.

"O que acontece ao redor dos buracos negros é a coisa mais energética do Universo e isso é por causa da gravidade", explica. "E se a gente conseguisse fazer isso, sabe? Quem sabe não seria a solução energética na Terra, com energia limpa?"

Enquanto roda um modelo de rede neural no computador, instalado numa mesa na qual também se aboletam duas canecas, uma estampada com a primeira imagem de um buraco negro e a outra com personagens de produções do japonês Studio Ghibli (A Viagem de Chihiro, filme de 2001 dirigido por Hayao Miyazaki, está entre os preferidos dela), a astrofísica conversa por uma hora e dezesseis minutos com a BBC News Brasil.

Os assuntos vão de inteligência artificial, passando por seu projeto de pesquisa, até a série de livros de ficção científica Duna, do autor norte-americano Frank Herbert (1920-1986), e ela navega entre eles no mesmo ritmo. Algo despojado, acessível nas explicações, direto.

Como nas redes sociais.

Assim ela fez sucesso com uma thread, um fio no Twitter, a respeito da divulgação de uma imagem do aglomerado de galáxias SMACS 0723, capturada pelo telescópio James Webb, em julho deste ano.

O Google Brasil indicou a leitura do fio de Roberta, retuitando seus posts, e o canal de notícias GloboNews a convidou para falar sobre as fotos do James Webb no Jornal das Dez.

A participação no telejornal acabou colocando em evidência outra paixão da cientista.

E aí ela viralizou novamente, desta vez por aparecer no programa na frente de um jogo de quadros com todas as capas de discos da cantora norte-americana Taylor Swift, colocados na parede da casa dos pais, em Mogi das Cruzes.

Swiftie de carteirinha, como são chamados os fãs da artista, Roberta não perde nenhuma chance de demonstrar o amor por ela. Seja nas redes sociais, seja em conversas.

O interesse inicial se deu ainda na escola, tempos em que um amigo era muito mais fã da loirinha do que ela. "Eu gostava, mas não era aquela coisa", lembra.

Até que Taylor Swift lançou o álbum Red, em 2012, e ganhou definitivamente o coração de Roberta.

Seu disco preferido é Reputation, de 2017, e a música favorita "tende a ser Look What You Made Me Do , que é desse disco também", responde a astrofísica.

"O que me fez gostar muito da Taylor, acabar acompanhando e virando fã, é que as músicas dela são sempre sobre situações pessoais. E é muito legal porque sai uma música e os fãs já vão lá tentar descobrir onde aconteceu, o que aconteceu, com quem aconteceu", explica, se divertindo. "Porque sempre tem um motivo por trás ."

Taylor Swift é inspiração da pesquisadora, assim como as igualmente norte-americanas Margaret Hamilton, cientista da computação, e Andrea Ghez, astrônoma e prêmio Nobel de física em 2020. Ainda mais agora que a cantora é também doutora, graduação com a qual foi agraciada pela Universidade de Nova York, em maio deste ano.

Para alcançar o título e concluir sua tese, o que ela espera acontecer entre o fim de 2024 e o início de 2025, Roberta segue estudando os buracos negros com uso de inteligência artificial.

"A gente está indo um pouquinho além, com um pouco mais de física, digamos assim. É mais complexo simular o ambiente com uma dimensão a mais", explica a doutoranda, que no mestrado trabalhava a simulação em larga escala com duas dimensões e agora estuda uma região mais próxima do buraco negro utilizando três dimensões.

"Atualmente, a gente está testando novos métodos porque a área de inteligência artificial é muito rápida. Todo dia tem algo novo: o método que saiu na semana passada já está ultrapassado nessa semana. Então, é uma coisa que você precisa estar continuamente lendo papers, lendo artigos e vendo os novos métodos", diz ela.

- Este texto foi publicado em https://www.bbc.com/portuguese/geral-62803019

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