Os astrônomos profissionais não fazem descobertas olhando através de uma ocular, como você faria com um telescópio amador. Em vez disso, eles coletam imagens digitais em câmeras enormes acopladas a grandes telescópios.
Assim como você pode ter uma biblioteca infinita de fotos digitais armazenadas em seu celular, muitos astrônomos coletam mais fotos do que jamais teriam tempo para ver. Em vez disso, astrônomos como eu analisam algumas das imagens, criam algoritmos e, posteriormente, usam computadores para combinar e analisar o restante.
Mas como podemos saber se os algoritmos que escrevemos funcionarão, se nem temos tempo para ver todas as imagens? Podemos treiná-los com algumas das imagens, mas uma nova maneira de criar os melhores algoritmos é simular algumas imagens “falsas” com a maior precisão possível.
Nestas imagens simuladas podemos personalizar as propriedades exatas dos objetos. Dessa forma, podemos ver se os algoritmos que estamos treinando conseguem descobrir essas propriedades corretamente.
Meu grupo de pesquisa e colaboradores descobriram que a melhor maneira de criar imagens astronômicas “falsas”, mas realistas, é simular meticulosamente a luz e sua interação com tudo o que ela encontra. A luz é composta por partículas chamadas fótons, e podemos simular cada fóton. Escrevemos um código disponível publicamente para fazer isso, chamado Photon Simulator (“Simulador de Fótons), ou PhoSim.
O objetivo do projeto PhoSim é criar imagens simuladas realistas que nos ajudem a entender de onde vêm as distorções nas imagens de telescópios reais. Estas imagens podem então nos ajudar a treinar programas que classificam imagens reais de telescópios. E os resultados de estudos que utilizam o PhoSim também podem ajudar os astrônomos a corrigir distorções e defeitos em suas imagens reais de telescópios.
Uma avalanche de dados
Mas, antes de mais nada, por que há tantos dados astronômicos? Isso se deve principalmente ao surgimento de telescópios dedicados a levantamentos. Um telescópio de levantamento mapeia uma região do céu, em vez de apenas apontar para objetos específicos.
Todos esses observatórios têm uma grande área de coleta, um amplo campo de visão e um modo de pesquisa dedicado para coletar o máximo de luz possível durante um determinado período. As principais pesquisas do tipo nas últimas duas décadas incluem o SDSS, Kepler, Blanco-DECam, Subaru HSC, TESS, ZTF e Euclid.
O Observatório Vera Rubin, no Chile, teve sua construção concluída recentemente e em breve se juntará a esses observatórios. Seu levantamento teve início logo após o evento oficial de ”first look“ em 23 de junho de 2025.
O Observatório Vera Rubin terá um conjunto de recursos para pesquisa particularmente forte. Ele pode observar uma região do céu várias vezes maior do que a Lua cheia de uma só vez e pode pesquisar todo o hemisfério celeste sul a cada poucas noites.
Um levantamento pode ajudar a esclarecer praticamente todos os tópicos da astronomia. Algumas das questões de pesquisa mais ambiciosas incluem: fazer medições sobre matéria escura e energia escura, mapear a distribuição das estrelas da Via Láctea, encontrar asteróides no Sistema Solar, construir um mapa tridimensional das galáxias no Universo, encontrar novos planetas fora do Sistema Solar e rastrear milhões de objetos que mudam ao longo do tempo, incluindo supernovas.
Todas essas pesquisas geram uma enorme quantidade de dados. Elas produzem dezenas de terabytes todas as noites – ou seja, milhões a bilhões de pixels coletados em segundos. No caso extremo do Observatório Rubin, se você passasse o dia inteiro olhando imagens equivalentes ao tamanho de uma tela de televisão 4K por cerca de um segundo cada, você estaria olhando 25 vezes mais devagar do que as imagens são produzidas e nunca conseguiria acompanhar.
Nesse ritmo, nenhum ser humano conseguiria ver todas as imagens. Mas programas automatizados podem processar estes dados.
Os astrônomos também não observam um objeto astronômico como um planeta, galáxia ou supernova apenas uma vez. Frequentemente, medimos o tamanho, a forma, o brilho e a posição do mesmo objeto de muitas maneiras diferentes e sob muitas condições diferentes.
Mas mais medições trazem mais complicações. Por exemplo, medições feitas sob certas condições climáticas ou em uma parte da câmera podem discordar de outras em locais diferentes ou sob condições diferentes. Os astrônomos podem corrigir esses erros – chamados de sistemáticos – com calibração cuidadosa ou algoritmos, mas só se entendermos a razão da inconsistência entre as diferentes medições. É aí que entra o PhoSim. Uma vez corrigidas, podemos usar todas as imagens e fazer medições mais detalhadas.
Simulando um fóton de cada vez
Para compreender a origem desses erros sistemáticos, criamos o PhoSim, que pode simular a propagação de partículas de luz – fótons – através da atmosfera terrestre e, em seguida, para o telescópio e a câmera.
O PhoSim simula a atmosfera, incluindo a turbulência do ar, bem como as distorções da forma dos espelhos do telescópio e as propriedades elétricas dos sensores. Os fótons são propagados usando uma variedade de física que prevê o que os fótons fazem quando encontram o ar e os espelhos e lentes do telescópio.
A simulação termina coletando os elétrons que foram ejetados pelos fótons em uma grade de pixels, para formar uma imagem.
Representar a luz como trilhões de fótons é computacionalmente eficiente e uma aplicação de um método matemático conhecido como Monte Carlo, que usa amostragem aleatória. Os pesquisadores usaram o PhoSim para verificar alguns aspectos do projeto do Observatório Rubin e estimar como suas imagens ficariam.
Os resultados são complexos, mas até agora conectamos a variação de temperatura nos espelhos do telescópio diretamente ao astigmatismo – desfoque angular – nas imagens. Também estudamos como a turbulência em alta altitude na atmosfera, que pode perturbar a luz em seu caminho até o telescópio, altera as posições das estrelas e galáxias na imagem e causa padrões de desfocagem que se correlacionam com o vento. Demonstramos como os campos elétricos nos sensores do telescópio – que devem ser verticais – podem ser distorcidos e alterar as imagens.
Os pesquisadores podem usar esses novos resultados para corrigir suas medições e aproveitar melhor todos os dados coletados pelos telescópios.
Tradicionalmente, as análises astronômicas não se preocupavam com esse nível de detalhe, mas as medições meticulosas necessárias pelos levantamentos atuais e futuros trazem esta preocupação. Os astrônomos podem aproveitar ao máximo essa enxurrada de dados usando simulações para alcançar um nível mais profundo de compreensão sobre nosso Universo.
