A astrof�sica brasileira que simula buracos negros com intelig�ncia artificial e � fen�meno nas redes

A astrof�sica Roberta Duarte ficou emocionada quando assistiu � divulga��o da primeira foto de um buraco negro feita na hist�ria, a do que se situa no centro da gal�xia M87, a cerca de 55 milh�es de anos-luz da Terra.

Era 10 de abril de 2019 e ela n�o conseguia sequer descrever o que sentia ali num audit�rio do Instituto de Astronomia, Geof�sica e Ci�ncias Atmosf�ricas da Universidade de S�o Paulo, o IAG-USP, seu local de estudo.

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

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O feito cient�fico do Event Horizon Telescope, o Telesc�pio Horizonte de Eventos (projeto de colabora��o internacional entre cientistas e que re�ne radiotelesc�pios em oito regi�es do mundo), mexeu com as emo��es da doutoranda em astronomia por tratar de sua paix�o e seu objeto de trabalho. Afinal, assim como a equipe do EHT, Roberta tenta descobrir os mist�rios dos buracos negros. E para isso, a jovem de 26 anos usa a intelig�ncia artificial.

Al�m de seu trabalho, ela se tornou uma das personalidades mais conhecidas entre divulgadores de ci�ncia no Brasil. No Twitter, ela tem mais de 118 mil seguidores e no Instagram eles j� somam mais de 37 mil, e ela coleciona passagens por canais de m�dia, onde divulga a F�sica.

Intelig�ncia artificial

O casamento de astrof�sica e ci�ncia da computa��o � o eixo de sua disserta��o de mestrado, que simula o funcionamento de um buraco negro a partir de aprendizado de m�quina, e foi publicado em mar�o deste ano em edi��o da revista cient�fica Monthly Notices, da associa��o inglesa Royal Astronomical Society, sob o t�tulo Black hole weather forecasting with deep learning: a pilot study ("Previs�o das condi��es atmosf�ricas de um buraco negro com aprendizado de m�quina: um estudo piloto", em portugu�s).

Assinada tamb�m pelo astrof�sico e professor da USP Rodrigo Nemmen e pelo cientista da computa��o Jo�o Paulo Navarro, arquiteto de solu��es da empresa de computa��o gr�fica Nvidia, a tese � fruto de pesquisa desenvolvida por Roberta desde 2019 e pioneira ao trilhar o caminho da intelig�ncia artificial para buscar entender mais sobre esses objetos celestes.

A ideia veio n�o s� pelo avan�o da tecnologia em si, mas tamb�m como forma de acelerar o processo, j� que o estudo � complexo. "Tem muita coisa envolvida [para uma simula��o]: campos magn�ticos, equa��es de Maxwell, relatividade geral", enumera a doutoranda.

Tentar montar um projeto desses por vias mais tradicionais demanda tempo pela abrang�ncia dos c�lculos, al�m do cruzamento da enorme quantidade de dados necess�rios na astronomia.

Ao ser questionada a respeito de qu�o complexo pode ser o m�todo, Roberta explica as vari�veis das opera��es envolvidas.

"S�o equa��es de conserva��o, ent�o, a gente tem conserva��o de massa, conserva��o de energia, conserva��o do momento e cada uma dessas s�o equa��es EDP, as equa��es diferenciais parciais, que dependem de variadas, ou seja, varia��es de par�metros", diz ela. "E se voc� est� prevendo tr�s par�metros, s�o tr�s equa��es e uma depende da outra. Ent�o, uma equa��o afeta a outra."

No processo, se v�o alguns dias para c�lculos considerados mais simples e at� um m�s para resultados com maior complexidade. "S�o c�lculos num�ricos, mas muito demorados porque se precisa de fato resolver a equa��o", afirma a pesquisadora. "Com a intelig�ncia artificial, n�o. Ela aprende a f�sica do que est� acontecendo e retorna com os resultados."

O segredo para a m�quina aprender f�sica est� em algo intr�nseco a esse tipo de tecnologia. "Voc� n�o precisa da matem�tica de fato. Ela olha padr�es e entende os padr�es sem resolver a f�sica", afirma Roberta, citando pensamento de um dos pioneiros da intelig�ncia artificial, o canadense Yoshua Bengio, vencedor do Turing de 2019, o pr�mio Nobel da computa��o. "Se tende a achar que a intelig�ncia artificial � boa na l�gica, mas ela � boa para reconhecer padr�o", diz ela.

Uma vez tra�ado o caminho e acompanhada de seu orientador na pesquisa, o professor Rodrigo Nemmen, e do cientista da computa��o Jo�o Paulo Navarro, a astrof�sica optou ent�o por se inspirar em um modelo de rede neural chamado U-Net.

Criada em 2015 para fazer exames biom�dicos 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 tamb�m se desenvolvia bem com v�deos.

E a m�quina parte justamente de v�deos para apresentar o que pode acontecer ao redor do objeto de estudo, detentor de uma gravidade t�o brutal que nem a luz escapa dela.

"Imagina como se fosse um v�deo de um buraco negro no centro s� que, em vez de ser uma imagem bonitinha, de luz, como a do Gargantua, do [filme preferido de Roberta, lan�ado em 2014 e dirigido por Christopher Nolan] Interestelar, o que a gente tem � a densidade em cada ponto do frame", explica a astrof�sica sobre o m�todo da pesquisa � BBC News Brasil.

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

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

"A� voc� calcula o erro entre as duas. O qu�o errada aquela que ela devolveu est� [em compara��o] ao que voc� espera."

A taxa de erro foi de 0,8% para simula��es simples e de 2% para simula��es avan�adas. J� a acelera��o nos c�lculos foi de 32.000 vezes em simula��es consideradas mais simples e de 7.000 vezes para simula��es in�ditas para o algoritmo.

Segundo a pesquisadora, o processo de montar do zero a m�quina inspirada na U-Net, trein�-la, test�-la e enfim alcan�ar com ela os resultados durou cerca de um ano e meio.

E o trabalho em equipe fez diferen�a.

"O Jo�o Paulo [Navarro], como cientista da computa��o, foi essencial para nos dar dire��es porque eu e o Nemmen somos f�sicos de forma��o", lembra Roberta, que teve de lidar com a unidade de processamento GPU, feita para gr�ficos e renderiza��o de imagens.

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O professor Nemmen, por sua vez, foi quem levantou a bola da intelig�ncia artificial.

A sugest�o 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 simula��es num�ricas, sem a ajuda de deep learning, o aprendizado de m�quina.

"Ent�o, ele teve a ideia: e se a gente propusesse um novo m�todo de simular?", recorda ela.

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� �poca, Nemmen andava estudando exatamente esse tipo de tecnologia. "Fiquei empolgado com a perspectiva de aplica��o dos algoritmos de intelig�ncia artificial em astrof�sica", lembra o professor em entrevista por e-mail para a BBC News Brasil.

"Propus uma mudan�a radical no projeto da Roberta para passar a ser a aplica��o de intelig�ncia artificial nessas simula��es 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 pr�prias palavras, uma "montanha-russa emocional" desde o in�cio.

"Vivendo os altos quando obt�nhamos resultados interessantes, no sentido da IA conseguir aprender sobre a dieta do buraco negro, ao ser alimentada com dados, mas tamb�m os baixos, quando encontr�vamos desafios no tratamento dos dados. Ou quando encontramos o lado negro da IA: os pontos onde a intelig�ncia artificial falha."

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

"Fazemos ci�ncia da mais alta qualidade — e inovadora — no nosso pa�s apesar das investidas do atual governo federal contra a ci�ncia b�sica. N�o h� ningu�m mais simulando buracos negros com intelig�ncia artificial no mundo, por exemplo, al�m do meu grupo [o Black Hole Group, equipe de pesquisadores da USP]", diz o professor. "Este � um t�pico de pesquisa ativo tanto em astrof�sica quanto em ci�ncia da computa��o".

A pista dupla alcan�a tamb�m o cora��o de Roberta, pois o computador � um amor de ber�o.

Hist�ria de amor

Nascida em Mogi das Cruzes, cidade paulista a 57 quil�metros de dist�ncia de S�o Paulo, Roberta � filha de uma ex-estudante de direito e de um analista de sistemas.

Sua hist�ria de amor com a inform�tica e as telas surgiu na inf�ncia, como uma heran�a paterna portanto. "Eu at� brinco que o computador foi quase uma bab�, junto com meu pai, porque ele estava sempre ali comigo, ensinando e mostrando como funcionava, mexendo no computador", lembra a astrof�sica.

O gosto pela tecnologia foi crescendo e nunca diminuiu, tanto que, �s vezes, como no meio de uma das tr�s entrevistas que deu � BBC News Brasil, ela se pergunta "como � que eu n�o fui fazer ci�ncia da computa��o?". � pr�pria quest�o, Roberta responde "que deu certo, tudo se juntou", j� que trabalha diretamente com intelig�ncia artificial hoje.

Ao prazer tecnol�gico se juntou aos poucos o da leitura, incentivado pelos pais, que lhe davam livros de presente. Desta forma, entre p�ginas de revistas, como Recreio, Superinteressante e Ci�ncia Hoje das Crian�as, e do contato com o personagem Astronauta, das hist�rias em quadrinhos da Turma da M�nica, surgiu um interesse pela astronomia.

E n�o deu outra: aparecia ali mais uma �rea para Roberta explorar a fundo. "Quando eu era crian�a, achava que ia ser astr�noma, 100% astr�noma, de olhar telesc�pio", diz ela.

O pr�ximo passo veio por acaso. F� das leituras sobre ci�ncia, 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 mist�rios do Universo (Editora Moderna, de 1997), de Heather Couper (1949-2020) e Nigel Henbest.

A obra a fisgou � primeira vista. "Aquele livro explica tudo o que os buracos negros s�o, os fen�menos, o que eles fazem, como s�o formados", explica ela sobre a publica��o, da qual guarda um exemplar na casa dos pais at� hoje.

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

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Mas a garota n�o optaria nem pela ci�ncia da computa��o tampouco pela astronomia na hora de escolher um curso na faculdade.

Pois um valor mais alto se levantava no ensino m�dio, mais precisamente nas salas do col�gio particular Tom�s Agostinho, onde tinha uma bolsa de estudos, em Mogi das Cruzes.

"Eu me apaixonei por f�sica e, j� nas primeiras aulas, achei incr�vel", lembra. "Tinha a quest�o de que gostava de ci�ncia, ent�o, a f�sica entrava como ferramenta para explicar."

Assim, ela deixou sua cidade natal para morar em S�o Carlos, a 232 quil�metros da capital do Estado, S�o Paulo, e fazer faculdade no Instituto de F�sica de S�o Carlos (IFSC), da USP.

L�, al�m de aprender os conceitos e teorias da ci�ncia, Roberta descobriu algumas coisas.

Uma delas foi a import�ncia de ter escolhido exatamente aquele curso. "Eu n�o seria nada se n�o fosse a f�sica", diz ela sem pestanejar.

"N�o consigo me imaginar fazendo outra coisa porque a f�sica abriu todas as portas que eu queria. A computacional, a astrof�sica. E mesmo trabalhando com intelig�ncia artificial, a bagagem matem�tica para entender, aplicar e at� criar os modelos veio com a f�sica."

Outra foi a experi�ncia de ser uma mulher formada neste curso. "A f�sica ainda � uma �rea predominantemente masculina. Quando entrei [na faculdade], tinha 40 alunos na turma e s� duas mulheres: 38 homens e duas mulheres", relembra.

"Chega a ser machista �s vezes porque s�o acostumados com aluno homem. Ent�o, quando entra uma mulher, acaba sendo um choque", diz a astrof�sica, que afirma, por�m, ter tido sorte, j� que os colegas de turma na gradua��o "sempre respeitaram" sua capacidade.

Mas, conta ela, n�o � raro ouvir dentro de um curso de f�sica coment�rios do tipo "mulher n�o sabe programar".

Para tentar mudar o cen�rio em sua �rea de atua��o e tamb�m aumentar o n�mero de interessados em intelig�ncia artificial, a astrof�sica lista entre os objetivos "inspirar pessoas a seguirem carreira em f�sica computacional", como se pode ler em seu site.

"Ainda tem uma certa resist�ncia da parte dos pesquisadores com a intelig�ncia artificial porque � uma coisa muito nova e coisas muito novas acabam assustando as pessoas", diz.

"� importante mostrar que d� para utiliz�-la dentro da astronomia, da f�sica. Tem muita coisa que pode ser feita. Ent�o, quanto mais gente estiver trabalhando nisso, melhor."

Mostrar e compartilhar, ali�s, s�o partes importantes na rotina di�ria de Roberta.

Como um milh�o de pequenas estrelas brilhantes

O professor Rodrigo Nemmen conhece Roberta Duarte desde os tempos em que a ent�o aluna de f�sica o procurou para um projeto de inicia��o cient�fica.

Hoje doutoranda na USP, ela � vista por seu orientador n�o apenas como algu�m que "tem um potencial imenso", mas um "rosto da astrof�sica" para os mais jovens.

"Sei que ela � extremamente popular no Twitter e Instagram pela empolga��o que consegue transmitir pela astronomia", diz Nemmen.

A defini��o de seu orientador � explicada ao se observarem os n�meros das redes sociais de Roberta. No Twitter, ela tem mais de 118 mil seguidores e no Instagram eles j� somam mais de 37 mil.

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

Tamb�m indica livros sobre astronomia e astrof�sica, casos de Uma breve hist�ria do tempo (de 1988, da editora Intr�nseca), de Stephen Hawking (1942-2018), e Origens (de 2004, da editora Planeta), de Neil deGrasse Tyson e Donald Goldsmith, al�m de apresentar ao p�blico que a acompanha cientistas como a f�sica austr�aca Lise Meitner (1878-1968).

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

"Eu sempre gostei de divulgar, de falar de ci�ncia de uma forma acess�vel", 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, n�o caminhava junto ao apre�o por essas plataformas. "Nunca fui muito f� de rede social", diz.

O jogo s� virou quando chegou a S�o Paulo para o mestrado na USP e passou a conversar com uma colega, a astr�noma Geisa Ponte.

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

Na ocasi�o da festa de anivers�rio de Roberta, dois dias ap�s a apresenta��o da primeira foto de um buraco negro, em abril de 2019, as duas se encontraram e Geisa lhe sugeriu a ideia.

"A gente come�ou a conversar sobre isso, e ela falou 'por que voc� n�o escreve uma thread sobre a foto? J� que voc� trabalha com isso, seria legal fazer uma thread'", conta.

Ent�o, iniciou a jornada de falar a respeito de ci�ncia na internet, a ser convidada para podcasts e, inclusive, a escrever com o objetivo da divulga��o cient�fica em v�deos. Hoje, ela � roteirista do canal "Ci�ncia Todo Dia", de Pedro Loos, que conta com mais de 3 milh�es de inscritos no YouTube.

Como um milh�o de pequenas estrelas brilhantes que acabaram de se alinhar, Roberta foi vendo o n�mero de seguidores (e de notifica��es) aumentar. "� dif�cil acompanhar", conta ela, ao mesmo tempo em que afirma tentar sempre responder as mensagens.

"Precisamos de mais pessoas assim", argumenta Rodrigo Nemmen. "Nosso pa�s precisa de mais astr�nomas, f�sicas, matem�ticas; todo esfor�o de divulga��o cient�fica no Twitter, Instagram, TikTok - e, � claro, na imprensa tradicional - � important�ssimo."

Olhe o que voc� me fez fazer

Sentada na sala onde trabalha, no Instituto de Astronomia, Geof�sica e Ci�ncias Atmosf�ricas da Universidade de S�o Paulo, o IAG-USP, Roberta Duarte se anima ao falar do tema de seu estudo e de poss�veis aplica��es das pesquisas acerca das mais misteriosas regi�es espaciais.

"O que acontece ao redor dos buracos negros � a coisa mais energ�tica do Universo e isso � por causa da gravidade", explica. "E se a gente conseguisse fazer isso, sabe? Quem sabe n�o seria a solu��o energ�tica na Terra, com energia limpa?"

Enquanto roda um modelo de rede neural no computador, instalado numa mesa na qual tamb�m se aboletam duas canecas, uma estampada com a primeira imagem de um buraco negro e a outra com personagens de produ��es do japon�s Studio Ghibli (A Viagem de Chihiro, filme de 2001 dirigido por Hayao Miyazaki, est� entre os preferidos dela), a astrof�sica conversa por uma hora e dezesseis minutos com a BBC News Brasil.

Os assuntos v�o de intelig�ncia artificial, passando por seu projeto de pesquisa, at� a s�rie de livros de fic��o cient�fica Duna, do autor norte-americano Frank Herbert (1920-1986), e ela navega entre eles no mesmo ritmo. Algo despojado, acess�vel nas explica��es, direto.

Como nas redes sociais.

Assim ela fez sucesso com uma thread, um fio no Twitter, a respeito da divulga��o de uma imagem do aglomerado de gal�xias SMACS 0723, capturada pelo telesc�pio James Webb, em julho deste ano.

O Google Brasil indicou a leitura do fio de Roberta, retuitando seus posts, e o canal de not�cias GloboNews a convidou para falar sobre as fotos do James Webb no Jornal das Dez.

A participa��o no telejornal acabou colocando em evid�ncia outra paix�o da cientista.

E a� 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 s�o chamados os f�s da artista, Roberta n�o 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 f� da loirinha do que ela. "Eu gostava, mas n�o era aquela coisa", lembra.

At� que Taylor Swift lan�ou o �lbum Red, em 2012, e ganhou definitivamente o cora��o de Roberta.

Seu disco preferido � Reputation, de 2017, e a m�sica favorita "tende a ser Look What You Made Me Do [Olhe o que voc� me fez fazer, em portugu�s], que � desse disco tamb�m", responde a astrof�sica.

"O que me fez gostar muito da Taylor, acabar acompanhando e virando f�, � que as m�sicas dela s�o sempre sobre situa��es pessoais. E � muito legal porque sai uma m�sica e os f�s j� v�o l� tentar descobrir onde aconteceu, o que aconteceu, com quem aconteceu", explica, se divertindo. "Porque sempre tem um motivo por tr�s [das letras]."

Taylor Swift � inspira��o da pesquisadora, assim como as igualmente norte-americanas Margaret Hamilton, cientista da computa��o, e Andrea Ghez, astr�noma e pr�mio Nobel de f�sica em 2020. Ainda mais agora que a cantora � tamb�m doutora, gradua��o com a qual foi agraciada pela Universidade de Nova York, em maio deste ano.

Para alcan�ar o t�tulo e concluir sua tese, o que ela espera acontecer entre o fim de 2024 e o in�cio de 2025, Roberta segue estudando os buracos negros com uso de intelig�ncia artificial.

"A gente est� indo um pouquinho al�m, com um pouco mais de f�sica, digamos assim. � mais complexo simular o ambiente com uma dimens�o a mais", explica a doutoranda, que no mestrado trabalhava a simula��o em larga escala com duas dimens�es e agora estuda uma regi�o mais pr�xima do buraco negro utilizando tr�s dimens�es.

"Atualmente, a gente est� testando novos m�todos porque a �rea de intelig�ncia artificial � muito r�pida. Todo dia tem algo novo: o m�todo que saiu na semana passada j� est� ultrapassado nessa semana. Ent�o, � uma coisa que voc� precisa estar continuamente lendo papers, lendo artigos e vendo os novos m�todos", diz ela.

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

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