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Cérebro artificial ajuda Gaia a encontrar estrelas velozes


Ilustração de duas estrelas viajando pelo centro da nossa Galáxia, a Via Láctea, para os seus arredores. Estas estrelas hipervelozes movem-se a centenas de quilômetros por segundo, muito mais depressa que a média galáctica. As suas altas velocidades são o resultado de uma interação passada com o buraco negro supermassivo situado no centro da Via Láctea que, com uma massa de quatro milhões de sóis, governas as órbitas das estrelas na sua vizinhança.
Com a ajuda de software que imita o cérebro humano, uma equipa de cientistas descobriu seis estrelas hipervelozes no primeiro conjunto de dados do satélite Gaia da ESA, e planeia encontrar mais nos futuros lançamentos de dados do Gaia.
Estas estrelas viajaram grandes distâncias, através da Via Láctea, assim que fornecem informações cruciais sobre o campo gravitacional, desde o centro até aos arredores.
Crédito: ESA


Com a ajuda de um software que imita o cérebro humano, o satélite Gaia da ESA avistou seis estrelas viajando, a alta velocidade, do centro da nossa Galáxia para os seus arredores. Esta descoberta poderá fornecer informações importantes sobre algumas das regiões mais obscuras da Via Láctea.

A Via Láctea, a Galáxia onde vivemos, abriga mais de cem mil milhões de estrelas, todas mantidas juntas pela gravidade. A maioria está localizada numa estrutura achatada - o disco Galáctico - com um bojo no seu centro, enquanto as estrelas restantes estão distribuídas num halo esférico mais amplo que se estende até cerca de 650.000 anos-luz do centro.

As estrelas não estão imóveis na Galáxia, movem-se em redor do Centro com uma variedade de velocidades, dependo da sua localização - por exemplo, o Sol orbita a cerca de 220 km/s, enquanto a média no halo ronda os 150 km/s.

Ocasionalmente, algumas estrelas excedem essas velocidades já bastante impressionantes.

Algumas são aceleradas por um encontro estelar próximo ou por uma explosão de supernova de uma companheira estelar, resultando em estrelas fugitivas com velocidades até várias centenas de quilômetros por segundo acima da média.

Há pouco mais de uma década, foi descoberta uma nova classe de estrelas de alta velocidade. Viajando pela Galáxia a várias centenas de quilômetros por segundo, são o resultado de interações passadas com o buraco negro supermassivo situado no centro da Via Láctea e que, com uma massa de quatro milhões de sóis, governa as órbitas das estrelas na sua vizinhança.

"Estas estrelas hipervelozes são extremamente importantes no estudo da estrutura geral da nossa Via Láctea," comenta Elena Maria Rossi da Universidade de Leiden, na Holanda, que apresentou a descoberta das novas seis estrelas pelo Gaia na Semana Europeia da Astronomia e das Ciências Espaciais em Praga, na República Checa.

"Estas são estrelas que viajaram grandes distâncias através da Galáxia, mas que podem ser traçadas até ao núcleo - uma área tão densa e obscurecida pelo gás e poeira interestelar que normalmente é muito difícil de observar - de modo que fornecem informações importantes sobre o campo gravitacional da Via Láctea, desde o centro até aos arredores."

Infelizmente, as estrelas em rápido movimento são extremamente difíceis de encontrar no "palheiro" estelar da Via Láctea, pois os levantamentos atuais listam a velocidade de, no máximo, algumas centenas de milhares de estrelas.

Para as encontrar, os cientistas têm procurado estrelas jovens e massivas que se destacariam como intrusas na antiga população estelar do halo galáctico. Devido à sua idade "fora de lugar", estas estrelas provavelmente receberam um impulso extra para alcançar o halo. As medições adicionais das suas velocidades e estimativas dos seus percursos passados podem confirmar se são, de facto, estrelas hipervelozes expulsas do centro da Via Láctea.

Até agora, apenas 20 dessas estrelas foram avistadas. Devido à seleção específica deste método, são todas estrelas jovens com uma massa entre 2,5 e 4 vezes a do Sol. No entanto, os cientistas pensam que muitas mais estrelas de outras idades ou massas estão a acelerar pela Galáxia, embora não tenham sido reveladas por este tipo de pesquisa.

O censo de 1 bilhãode estrelas, realizado pelo Gaia, oferece uma oportunidade única, assim que Elena e colaboradores começaram a perguntar-se como usar um tão vasto conjunto de dados para otimizar a busca por estrelas em rápido movimento.

Depois de testar vários métodos, voltaram-se para software através do qual o computador aprende com base em experiência anterior.

"No final, escolhemos usar uma rede neuronal artificial, um software desenhado para imitar o funcionamento do nosso cérebro," explica Tommaso Marchetti, aluno de doutoramento da Universidade de Leiden e autor principal do artigo que descreve os resultados, publicado na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

"Depois um 'treino' adequado, pode aprender a reconhecer certos objetos ou padrões num enorme conjunto de dados. No nosso caso, ensinamo-lo a detectar estrelas hipervelozes num catálogo estelar como o compilado com o Gaia."

Como parte do projeto de investigação de Elena, para estudar estas estrelas, a equipa começou a desenvolver e a treinar este programa na primeira metade de 2016, a fim de estar pronto para o primeiro lançamento dos dados do Gaia alguns meses depois, no dia 14 de setembro.

Para além de um mapa com mais de 1 bilhão de posições estelares, este primeiro lançamento inclui um catálogo menor com distâncias e movimentos para dois milhões de estrelas, combinando observações do primeiro ano do Gaia com aquelas da missão Hipparcos da ESA, que catalogou o céu há mais de duas décadas atrás. Referida como a Solução Astrométrica Tycho-Gaia, ou TGAS (Tycho–Gaia Astrometric Solution), este recurso é uma "amostra" dos futuros catálogos baseados unicamente nos dados do Gaia.

"No dia do lançamento dos dados, corremos o nosso novo algoritmo nas duas milhões de estrelas do TGAS," realça Elena.

"Em apenas uma hora, o cérebro artificial já tinha reduzido o conjunto de dados até mais ou menos 20.000 potenciais estrelas de alta velocidade, reduzindo o seu tamanho até cerca de 1%.

"Uma seleção adicional, incluindo apenas medições acima de uma certa precisão em distância e movimento, reduziu o número de candidatas estelares para 80."

A equipe analisou essas 80 estrelas com mais detalhe. Uma vez que apenas as informações sobre o movimento da estrela, pelo céu, estão incluídas nos dados TGAS, tiveram que encontrar pistas adicionais para inferir a sua velocidade, estudando catálogos estelares anteriores ou realizando novas observações.

"Combinando todos estes dados, descobrimos que seis estrelas podem ser traçadas até ao Centro Galáctico, todas com velocidades acima dos 360 km/s," explica Tommaso.

Ainda mais importante, os cientistas conseguiram examinar uma população diferente das 20 estrelas já conhecidas: as estrelas recém-identificadas têm todas massas inferiores, semelhantes à massa do nosso Sol.

Uma das seis estrelas parece viajar tão depressa, a mais de 500 km/s, que já não está vinculada gravitacionalmente à Via Láctea, pelo que eventualmente deixará de pertencer à nossa Galáxia. Mas as outras estrelas, ligeiramente mais lentas, são talvez ainda mais fascinantes, pois os cientistas estão ansiosos por aprender o que as desacelerou - a matéria escura e invisível que se pensa permear a Via Láctea também poderá ter desempenhado um papel.

Embora o novo programa tenha sido optimizado para procurar estrelas aceleradas no centro da Galáxia, também identificou cinco das estrelas fugitivas mais tradicionais, que devem as suas altas velocidades a encontros estelares noutros lugares da Via Láctea.

"Este resultado mostra o grande potencial do Gaia, abrindo novas vias para investigar a estrutura e a dinâmica da nossa Galáxia," comenta Anthony Brown da Universidade de Leiden, coautor do estudo e presidente do Consórcio de Processamento e Análise dos Dados do Gaia.

Os cientistas estão ansiosos por usar os dados do próximo lançamento do Gaia, planeado para abril de 2018 e que vai incluir distâncias e movimentos, no céu, para mais de mil milhões de estrelas, bem como velocidades para um subconjunto.

Trabalhar com mil milhões de estrelas, ao invés das duas milhões exploradas até agora, é um desafio enorme, de modo que a equipe está ocupada em atualizar o programa para lidar com um catálogo tão grande a fim de descobrir as muitas estrelas velozes potencialmente escondidas nos dados.

"O grande número de estrelas analisadas pelo Gaia é uma oportunidade excitante, mas também desafiante, para os astrônomos, e estamos satisfeitos por ver que estão a abraçar o desafio," comenta Timo Prusti, cientista do projeto Gaia da ESA.


Ilustração do Gaia mapeando as estrelas da Via Láctea.
Crédito: ESA/ATG medialab; fundo - ESO/S. Brunier



Uma vista de todo o céu de estrelas na nossa Galáxia - a Via Láctea - e galáxias vizinhas, com base no primeiro ano de observações do satélite Gaia da ESA, desde julho de 2014 até setembro de 2015.
Este mapa mostra a densidade de estrelas observadas pelo Gaia em cada porção do céu. Regiões mais brilhantes indicam concentrações mais densas de estrelas, enquanto regiões mais escuras correspondem a zonas do céu onde são observadas menos estrelas.
A Via Láctea é uma galáxia espiral, com a maioria das suas estrelas a residir num disco com aproximadamente 100.000 anos-luz de diâmetro e cerca de 1000 anos-luz de espessura. Esta estrutura é visível no céu como o Plano Galáctico - a porção mais brilhante desta imagem - que está posicionada horizontalmente e é especialmente brilhante no centro. As regiões mais escuras do Plano Galáctico correspondem a nuvens densas de gás e poeira interestelar que absorvem a luz estelar ao longo da linha de visão.
Muitos enxames abertos e globulares - agrupamentos de estrelas mantidas juntas pela sua gravidade mútua - estão também espalhados pela imagem.
Os enxames globulares, grandes conjuntos de centenas de milhares até milhões de estrelas velhas, são principalmente encontrados no halo da Via Láctea, uma estrutura aproximadamente esférica com um raio de mais ou menos 100.000 anos-luz e por isso são visíveis na imagem.
Os enxames abertos são aglomerados mais pequenos com centenas até milhares de estrelas e encontram-se principalmente no Plano Galáctico.
Os dois objetos brilhantes perto do canto inferior direito da imagem são as Grande e Pequena Nuvem de Magalhães, duas galáxias anãs que orbitam a Via Láctea. Também são visíveis outras galáxias próximas, principalmente Andrômeda (também conhecida como M31), a maior vizinha galáctica da Via Láctea, em baixo e à esquerda da imagem. Por baixo de Andrômeda está a sua galáxia satélite, M33 ou Galáxia do Triângulo.
Na imagem estão presentes vários artefatos. Estas características curvas e listas mais escuras não são de origem astronômica mas, ao invés, refletem o processo de digitalização do Gaia. Tendo em conta que este mapa é baseado em observações recolhidas durante o primeiro ano da missão, o estudo ainda não é uniforme em todo o céu.
Estes artefatos irão gradualmente desaparecer à medida que mais dados são recolhidos durante os cinco anos da missão.
Crédito: ESA/Gaia/DPAC; reconhecimento - A. Moitinho & M. Barros (CENTRA - Universidade de Lisboa), em nome do DPAC


(Versões em ainda mais alta-resolução disponíveis aqui)

FONTE: http://www.ccvalg.pt

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