Internacional - Cientistas da Universidade de Coimbra recorrem a machine learning e reduzem em sete vezes o tempo de cálculo das estrelas de neutrões

As estrelas de neutrões são um dos objetos mais densos do Universo. Podem ser vistas como núcleos gigantes muito ricos em neutrões, mas a sua verdadeira composição ainda é uma incógnita: será que no seu interior os quarks estão desconfinados? Será que na sua composição além de protões e neutrões também existem hiperões, partículas parecidas aos nucleões, mas contendo um quark estranho?

 

Explorando o potencial do método de regressão simbólica, uma ferramenta no âmbito de técnicas de machine learning, que fornece relações algébricas entre diferentes propriedades, uma equipa de cientistas do Departamento de Física da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra (FCTUC) obteve uma relação entre a massa máxima de uma estrela de neutrões e a sua equação de estado. 

Esta relação, descrita na revista científica Physics Letters B, reduz os cálculos computacionais por um fator de sete, numa das etapas essenciais da procura de modelos compatíveis com as observações. O cálculo utiliza a inferência de Bayes, que pode ser muito demorada, uma vez que é necessário resolver as equações diferenciais que determinam a massa e o raio da estrela para vários milhões de modelos. 

«Com os atuais dados experimentais e observacionais disponíveis e os dados que serão recolhidos nas próximas décadas, espera-se que a composição destes objetos seja finalmente desvendada», afirma Constança Providência, investigadora do Centro de Física da Universidade de Coimbra (CFisUC) e professora da FCTUC. «Extrair das observações astronómicas as propriedades da matéria que interage pela força forte, como a matéria nuclear, a altas densidades, é, no entanto, outro desafio», considera.  

As utilizações de métodos estatísticos revelam-se essenciais para o sucesso deste problema. No entanto, de acordo com os especialistas, determinar o modo como a matéria sujeita a densidades e pressões extremamente elevadas se comporta dentro destes objetos - isto é, qual é a sua equação de estado, partindo do conhecimento da massa e raio das estrelas de neutrões, é um problema complicado que exige muitas horas de cálculo, pela quantidade de modelos que têm de ser testados. 

«Num futuro próximo, esperamos que seja possível descodificar a equação de estado da matéria densa diretamente a partir do conhecimento preciso dos observáveis das estrelas de neutrões, utilizando estas técnicas computacionais avançadas, o que nos permitirá desvendar as propriedades da matéria bariónica a altas densidades. Assim, será possível saber a que densidades os quarks deixam de estar confinados aos nucleões e se a transição de fase para a matéria desconfinada é uma transição de primeira ordem», concluem os investigadores envolvidos.

O artigo científico “Inferring the equation of state from neutron star observables via machine learning” é uma colaboração conjunta entre os investigadores Tuhin Malik, Helena Pais e Constança Providência do CFisUC, juntamente com investigadores na China e na Índia. Universidade de Coimbra – Portugal

Internacional - Estudo liderado pela Universidade de Coimbra destacado na revista Scientific American

Um estudo internacional, em que participa Ricardo Zambujal Ferreira, investigador do Centro de Física da Universidade de Coimbra (CFisUC) e do Departamento de Física da Faculdade de Ciências e Tecnologia (FCTUC), está em destaque na revista “Scientific American”.

A investigação, denominada “Collapsing Domain Wall Networks: Impact on Pulsar Timing Arrays and Primordial Black Holes”, concluiu que os colapsos de redes cosmológicas de paredes de domínio conduzem à formação de buracos negros primordiais.

Este trabalho «consiste no estudo da evolução e colapso da denominada rede de paredes de domínio, uma espécie de estrutura labiríntica de paredes que deambula pelo universo primordial», explica Ricardo Zambujal Ferreira.

Durante a investigação, «identificámos dois regimes interessantes. Por um lado, se as redes colapsam aquando da formação dos primeiros núcleos no universo, elas geram ondas gravitacionais que podem estar por detrás dos recentes sinais detetados pelos observatórios de pulsares de millisegundos e levam à formação de buracos negros estelares que podem ser detetáveis num futuro próximo», revela o autor do artigo científico. 

Por outro lado, prossegue o investigador da FCTUC, «nos casos em que a rede colapsa ainda mais cedo no universo primordial, os buracos negros formados podem ter massas comparáveis às de asteroides e ser a explicação do puzzle da matéria escura. Neste último caso, as ondas gravitacionais geradas terão frequências à volta dos Hertz, também detetáveis com futuros observatórios», afirma.

Segundo o físico, o tema central da discussão é a existência de uma rede cosmológica de paredes de domínio no universo primordial. «Esta rede é uma previsão de várias extensões do Modelo Standard de Física de Partículas que tentam explicar algumas das questões ainda em aberto na Física Moderna. Portanto, a deteção das paredes é uma forma indireta de fazer testes de Física fundamental», considera.

O artigo científico “Collapsing Domain Wall Networks: Impact on Pulsar Timing Arrays and Primordial Black Holes” pode ser consultado aqui. Universidade de Coimbra - Portugal

Internacional – Tardigrado ou urso-de-água o melhor candidato a colonizar outros mundos

Não é um extraterrestre, mas é a espécie animal que melhor sobrevive a condições extremas

Explicação: é isto um extraterrestre? Provavelmente não; mas de todos os animais da Terra, os tardígrados seriam os melhores candidatos. Isso ocorre porque sabemos que os tardígrados são capazes de viver décadas sem comida nem água, sobreviver a temperaturas de cerca de zero absoluto a bem acima do ponto de ebulição da água, sobreviver a pressão perto de zero até bem acima das que existem nos fundos oceânicos e sobreviver à exposição directa a radiações perigosas. O vasto leque de sobrevivência destes extremófilos foi testada em 2011 no exterior de uma nave espacial em órbita. Os tardígrados são tão perduráveis em parte porque eles podem reparar o seu próprio DNA e reduzir o teor de água do seu corpo a uma pequena percentagem. Alguns destes ursos –de-água em miniatura quase voltaram extraterrestres recentemente quando viajaram para a lua marciana Phobos a bordo da missão russa Fobos-Grunt, mas ficaram sendo terrestres quando um foguete falhou e a cápsula ficou em órbita da Terra. Os tardígrados são mais comuns do que os humanos por toda a Terra. Fotografado aqui em uma micrografía eletrônica, salientando as cores, um Tardigrado de um milímetro de comprimento a gatinhar no musgo. Dosi Veiga - Galiza In “G Ciência” 

Internacional - De onde vêm as misteriosas explosões de rádio no Universo?

Não, ao olhar para o céu, por mais limpo que esteja, não conseguimos detectar as rápidas explosões de luz de que vamos falar. Foi preciso usar muitos telescópios ligados entre si para descobrir de que sítio vêm do Universo. Nas revistas Nature e The Astrophysical Journal Letters, uma equipa internacional de cientistas revela agora que estas explosões de luz na frequência de rádio tiveram origem fora da nossa galáxia (a Via Láctea), mais exactamente numa galáxia anã muito longe de nós, a 3000 milhões de anos-luz de distância. 

Decorria 2007 quando o radiotelescópio Parkes, na Austrália, detectou umas misteriosas explosões de rádio. Este fenómeno veio a ser designado por “explosões de rádio rápidas 121102”. E, em Novembro de 2012, detectou-se o primeiro e único conjunto consecutivo de explosões, na constelação de Auriga, com o radiotelescópio de Arecibo, em Porto Rico.

Mas permanecia a questão: de onde vinham afinal estas explosões, que duravam fracções de segundo mas eram muito energéticas? Sabemos agora que vieram de uma velha galáxia anã a mais de 3000 milhões de anos-luz da Terra. Fazendo contas, o Universo surgiu há 13.800 milhões de anos e a luz destas explosões levou 3000 milhões de anos a chegar até nós. O que significa que o Universo tinha então 10.800 milhões de anos desde o Big Bang – nessa altura, estavam a surgir no nosso planeta as primeiras células.

Para identificar a localização destas explosões foi preciso realizar observações em radiotelescópios de grandes dimensões, ao longo de 83 horas, distribuídas por seis meses em 2016. Primeiro, o radiotelescópio Very Large Array (VLA), no Novo México, nos EUA, detectou nove explosões de rádio isoladas.

Estas observações permitiram determinar a localização no céu das explosões e, em seguida, os cientistas apontaram para aí o telescópio Gemini Norte, no Havai, para obter uma imagem da luz visível (aquela que os nossos olhos vêem) do que se encontrava nessa região – e foi assim que identificaram uma galáxia anã muito ténue.

Depois, a equipa usou vários radiotelescópios espalhados pela Europa, Ásia, África do Sul, Estados Unidos e Austrália, ligados pela técnica da interferometria. Através destas redes de radiotelescópios os cientistas conseguiram localizar, por fim, a posição das explosões de rádio com uma precisão cerca de dez vezes superior à das observações anteriores. “Com este nível de precisão, obtivemos provas fortes de que a origem das explosões está fisicamente relacionada com uma fonte persistente de emissões de rádio”, afirma Benito Marcote, um dos autores da descoberta, em comunicado da Faculdade para Investigação da Astronomia da Holanda.

Até agora, descobriram-se 18 explosões de rádio rápidas. Caracterizam-se por serem altamente energéticas, mas têm uma duração extremamente curta, de um a cinco milissegundos. Esperava-se que viessem de grandes galáxias, tanto com grande número de estrelas como de estrelas de neutrões (os restos mortais de estrelas maciças que explodem como supernovas e ejectam materiais para o cosmos).

Contudo, a galáxia anã onde ocorreram as explosões de rádio rápidas tem apenas 1% da massa da Via Láctea e poucas estrelas. Além disso, as suas estrelas nascem e morrem a grande velocidade, o que sugere que as explosões de rádio rápidas provêm de estrelas neutrões jovens.

Mas qual será a origem destas explosões? Podem ter sido estrelas de neutrões extremamente magnéticas (ou magneto-estrelas). Ou um buraco negro supermaciço activo no centro da galáxia, com emissões de rádio nas suas redondezas. E existem ainda outras hipóteses: explosões de longa duração de raios gama; e supernovas superluminosas, que ocorrem frequentemente em galáxias anãs.

“Há ainda muito trabalho até se desvendarem os contornos misteriosos das explosões de rádio rápidas”, diz a física Victoria Kaspi, também autora do estudo e da Universidade de Montreal, do Canadá. “Mas ter identificado a galáxia em que se localizam estas explosões já é um grande passo para resolver o puzzle.”

No comentário ao artigo científico publicado também na Nature, Heino Falcke (do Instituto para a Matemática, Astrofísica e Física de Partículas, da Universidade de Nijmegen, na Holanda) escreve que estas explosões são “espectacularmente diferentes” porque vêm de um Universo muito distante. “As explosões de rádio rápidas são os sinais de rádio mais distantes de que temos conhecimento no Universo”, sublinha. “Foi uma surpresa, quando, quase uma década depois [em 2016], flashes de rádio aparentemente isolados foram descobertos com uma duração de poucos milissegundos.”

Mas este é apenas um começo na investigação das explosões de rádio rápidas no Universo. Continuarão a ser estudadas com telescópios capazes de ver na banda dos raios gama, dos raios X ou na luz visível, salienta a equipa. Para já, Laura Spitler, do Instituto Max Planck para a Radioastronomia, na Alemanha, dá um exemplo do que se pode desvendar: “Se conseguirmos encontrar uma periodicidade para a chegada das explosões, então teremos provas fortes de que são originadas pela rotação de estrelas de neutrões.” Teresa Serafim – Portugal in "Jornal Público"