Equipe australiana de PhD usa IA para restaurar a clareza do James Webb

O cosmos é profundo e vasto. É assustadoramente bonito e cheio de mistério. Compreender este universo é fundamental para entender nossas próprias origens e nosso lugar nele.

Para ajudar nisso, os cientistas construíram o Telescópio Espacial James Webb (JWST), uma ferramenta poderosa projetada para capturar luz das primeiras galáxias e revelar como nosso mundo chegou a existir. É o maior telescópio no espaço, permitindo o estudo de objetos astronômicos usando radiação infravermelha.

Esta forma de luz tem comprimentos de onda mais longos que a luz visível, e pode penetrar nuvens de poeira cósmica que bloqueiam a luz visível. E como o Webb observa comprimentos de onda mais longos, ele precisa de uma grande área de coleta para alcançar alta resolução.

O espelho principal do Webb consiste em 18 segmentos hexagonais de berílio revestido de ouro, formando um espelho de 6,5 m de diâmetro. Esse grande espelho, combinado com instrumentos de alta resolução e alta sensibilidade, permite ao Webb detectar objetos muito mais distantes do que telescópios espaciais anteriores.

Para tornar essas observações possíveis, o Webb deve ser mantido a temperaturas extremamente baixas, abaixo de 50 K (−370 °F; −223 °C). Isso impede que o próprio calor do telescópio interfira nos fracos sinais infravermelhos que ele tenta capturar. Um escudo solar de múltiplas camadas protege o telescópio de fontes externas de calor como o Sol, a Lua e a Terra.

Com esses instrumentos poderosos, o Webb possibilitou investigações em vários campos da astronomia e cosmologia, incluindo a observação das primeiras estrelas, a formação das primeiras galáxias e a ciência atmosférica detalhada de exoplanetas potencialmente habitáveis.

Entretanto, algumas imagens recentes do Webb ficaram bastante borradas devido a distorções em um de seus instrumentos-chave. Para resolver esse problema, dois pesquisadores de PhD da Universidade de Sydney, Max Charles e Louis Desdoigts, recorreram à IA. Impressionantemente, fizeram isso da Terra sem quaisquer alterações de hardware.

Mas por que isso importa? O que o Webb tem descoberto que torna imagens mais nítidas tão importantes? Vamos dar uma olhada.

James Webb Space Telescope: Surprises From the Early Universe

Desde que entrou em operação, o Webb encontrou galáxias com estrutura complexa e buracos negros quando o universo ainda era muito jovem, desafiando o que sabíamos sobre a rapidez com que as primeiras galáxias podiam se formar e crescer.

O Webb revelou assinaturas atmosféricas claras — incluindo metano, dióxido de carbono, dióxido de enxofre, amônia e até sulfeto de hidrogênio — em múltiplos mundos. Algumas dessas moléculas tinham apenas evidência tentativa (ou nenhuma) antes do JWST; o Webb entregou as primeiras detecções inequívocas em vários casos, avançando drasticamente a química de exoplanetas.

O telescópio tem observado características como as auroras de Júpiter e caracterizado pequenos corpos embutidos no cinturão de asteroides entre Júpiter e Marte, que são difíceis de detectar por outros telescópios, demonstrando a flexibilidade do JWST. Vários buracos negros massivos também foram descobertos pelo telescópio.

Com essas e muitas outras descobertas, o JWST tem cumprido sua promessa. Ele nos mostra que o universo primitivo é muito mais ativo e complexo do que pensávamos ser. Seu poder está ajudando-nos a ir além da nossa galáxia e do nosso sistema solar com insights mais detalhados e precisos sobre a natureza do cosmos.

Mais recentemente, astrônomos identificaram¹ “uma das descobertas mais intrigantes” até hoje ao analisar as imagens do Webb. 

Esses objetos muito brilhantes e enigmáticos podem ser a galáxia mais antiga conhecida no universo, surgindo 100 milhões de anos após o Big Bang, ou podem ser uma anã marrom, ou seja, uma estrela falhada, maior que os maiores planetas gasosos mas não grande o suficiente para sustentar fusão nuclear em seu núcleo. A identidade exata de Capotauro permanece incerta, mas certamente é “interessante e promissora”.

Capotauro foi observado por uma equipe de astrofísicos do Instituto Nacional de Astrofísica da Itália em um estudo anterior, quando tentavam identificar galáxias antigas nas observações do JWST. A falta de dados granulares, porém, impossibilitou que eles especificassem sua identidade. Mas então o JWST liberou mais dados sobre Capotauro no início deste ano, o que ajudou a equipe a restringir o que poderia ser.

A equipe usou as imagens capturadas pela Câmera Infravermelha Próxima (NIRCam) do JWST em sete comprimentos de onda para medir o brilho de Capotauro e dados limitados, porém mais granulares, do Espectrógrafo Infravermelho Próximo (NIRSpec) para obter uma ideia de sua idade e temperatura.

Dados da NIRCam e NIRSpec foram combinados, e então modelos foram usados para testar três possíveis configurações de galáxia. Um cenário em que Capotauro poderia ser uma anã marrom na borda externa da Via Láctea também foi testado, junto com uma variedade de outras possibilidades, como o objeto ser um exoplaneta peculiar ou uma galáxia jovem muito estranha.

Embora os resultados não tenham sido conclusivos, a equipe identificou as duas opções mais prováveis.

Uma possibilidade é que Capotauro tenha sido formado cerca de 100 milhões de anos após o Big Bang, o que empurra a idade da galáxia mais antiga conhecida em cerca de 200 milhões de anos. A outra possibilidade é que Capotauro seja uma anã marrom incomum, a mais fria e mais distante da nossa galáxia.

Ambas são possibilidades “muito empolgantes”, pois desafiam o que pensávamos saber sobre nossa galáxia e como ela evolui, disse o coautor do estudo Giovanni Gandolfi, astrofísico do INAF.

Em outra nova observação usando o JWST, astrônomos descobriram cinco compostos complexos à base de carbono² presos no gelo ao redor de uma estrela fora da Via Láctea.

As moléculas orgânicas foram detectadas ao redor de uma protoestrela em uma galáxia anã, a Grande Nuvem de Magalhães, que está a 160 000 anos‑luz da Terra e orbita próximo da nossa galáxia. Essa pequena galáxia está repleta de estrelas quentes e luminosas e possui menos elementos mais pesados que o hélio do que a Via Láctea. Ao compreender essa galáxia, os astrônomos esperam aplicar esse conhecimento à compreensão de galáxias mais distantes de quando o universo era muito mais jovem.

“As condições adversas nos dizem mais sobre como a química orgânica complexa pode ocorrer nesses ambientes primitivos onde há muito menos elementos pesados como carbono, nitrogênio e oxigênio disponíveis para reações químicas.”

– Co‑autora do estudo Marta Sewilo, astrônoma da Universidade de Maryland e do Goddard Space Flight Center da NASA

Os pesquisadores apontaram o Webb para ST6, uma estrela em desenvolvimento na Grande Nuvem de Magalhães, e, com a ajuda de ferramentas que medem luz infravermelha, encontraram as seguintes moléculas complexas no gelo ao seu redor: metanol, etanol, acetaldeído, ácido acético e formiato de metila.

Dentre elas, o metanol é o único que foi “detectado de forma conclusiva” em protoestrelas, o que torna as novas observações “excepcionais”.

Os pesquisadores ainda encontraram sinais que podem ser causados por gliceraldeído, que pode reagir com outras moléculas para formar ribose, um tipo de açúcar importante para o ácido ribonucleico (RNA), essencial para a vida.

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AMIGO: The AI Calibration That Sharpened JWST’s NIRISS-AMI

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Com todas essas descobertas vindas do Webb, dois pesquisadores de PhD da Universidade de Sydney, Max Charles e Louis Desdoigts, perceberam que poderiam tornar o telescópio ainda mais eficaz. Seu software impulsionado por IA corrigiu o borrão nas imagens do Webb a partir da Terra sem exigir missões caras de reparo espacial.

O problema que eles resolveram estava no Interferômetro de Máscara de Abertura (AMI), o único componente projetado na Austrália do telescópio. O AMI no instrumento NIRISS é o interferômetro infravermelho de mais alta resolução já colocado no espaço. Ele permite que astrônomos obtenham imagens de alta resolução de estrelas e planetas fora do nosso sistema solar combinando luz de diferentes seções do espelho principal do Webb.

Mas quando o telescópio começou a operar, o desempenho do AMI foi afetado por distorções eletrônicas em seu detector de câmera infravermelha. Com a migração de carga, ou o Brighter‑Fatter Effect, limitando o desempenho do AMI, as imagens capturadas pelo telescópio sofriam um leve desfoque.

Telescópios espaciais já enfrentaram falhas ópticas semelhantes antes. O Hubble teve um problema comparável nos anos 90 devido a um erro de espaçamento de lentes. Seu espelho principal tinha a forma errada, uma falha chamada aberração esférica, que fez com que o espelho primário tivesse mais de um ponto focal, tornando as imagens borradas.

Para trazer os dados borrados ao foco, a NASA redesenhou a Wide Field and Planetary Camera 2 (WFPC2) e desenvolveu o pacote de instrumentos Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement (COSTAR), que tinha o tamanho de uma geladeira grande e funcionava como um par de óculos para a Faint Object Camera (FOC), o Goddard High Resolution Spectrograph (GHRS) e o Faint Object Spectrograph (FOS). Tanto o WFPC2 quanto o COSTAR foram instalados por astronautas durante a primeira missão de serviço do Hubble no final de 1993.

Desta vez, em vez de enviar astronautas para reparos físicos, os pesquisadores criaram um método de calibração baseado em software aqui na Terra. Charles e Desdoigts (agora pesquisador pós‑doutoral na Universidade de Leiden, nos Países Baixos) desenvolveram o que chamaram de Aperture Masking Interferometry Generative Observations, ou AMIGO³.

AMIGO é uma estrutura de calibração de código aberto “que modela de forma direta todo o sistema AMI do JWST — incluindo sua óptica, física do detector e eletrônica de leitura — usando uma arquitetura diferenciável de ponta a ponta implementada no framework Jax e, em particular, explorando o pacote de modelagem óptica dLux.”

Ele usa redes neurais e simulações avançadas para replicar como a óptica e a eletrônica do Webb funcionam no espaço. Para projetar seus algoritmos de correção digital das imagens, os pesquisadores identificaram o problema onde a carga elétrica se espalha para pixels adjacentes.

Dessa forma, “eles conseguiram consertar as coisas com código” em vez de “enviar astronautas para apertar novas peças”, disse o professor Peter Tuthill da School of Physics da Universidade de Sydney e do Sydney Institute for Astronomy, que criou o AMI e trabalhou na solução. “É um exemplo brilhante de como a inovação australiana pode ter um impacto global na ciência espacial.”

Com a ajuda do AMIGO, o Webb entregou imagens claras e mais nítidas, capturando objetos celestes obscuros em detalhes precisos.

Para testar quão eficaz o AMIGO é, Charles liderou um estudo separado⁴, onde, usando a calibração aprimorada, o Webb produziu imagens nítidas de vulcões na lua de Júpiter, Io, de um jato de buraco negro e dos ventos carregados de poeira de WR 137.

“Este trabalho traz a visão do JWST ainda mais em foco,” disse a Dra. Desdoigts. “É incrivelmente gratificante ver uma solução de software ampliar o alcance científico do telescópio — e saber que foi possível sem nunca deixar o laboratório.”

Investindo em Tecnologia Espacial

No âmbito da tecnologia espacial, Northrop Grumman (NOC ) é o nome líder, que foi o principal contratante do Telescópio Espacial James Webb.

Além de ajudar a construir o JWST, a empresa desenvolveu muitas outras tecnologias espaciais importantes, incluindo a espaçonave Cygnus, que é um veículo de reabastecimento de carga para a Estação Espacial Internacional (ISS), o foguete Antares para missões Cygnus, o foguete Pegasus lançado do ar, o Mission Extension Vehicle (MEV) para atracar satélites e estender sua vida operacional, e o HALO para o programa Artemis.

Sendo uma empresa de tecnologia aeroespacial e de defesa, a Northrop Grumman também desenvolve sistemas de aeronaves militares, armas táticas avançadas e soluções de defesa antimíssil para agências governamentais dos EUA e clientes internacionais. Além disso, fornece sistemas de comando, controle, comunicações e reconhecimento.

Recentemente, a empresa assinou um acordo com a startup de IA Luminary Cloud para design de espaçonaves acelerado e habilitado por IA. 

A startup desenvolveu um modelo de IA, alimentado pelo PhysicsNeMo da NVIDIA , para o contratante de defesa projetar e construir novas espaçonaves mais rapidamente. Com a parceria, engenheiros terão acesso a esta ferramenta feita sob medida chamada Physics AI que pode gerar simulações de alta fidelidade de subsistemas em meros segundos, em vez das habitual 12 horas que podem levar as simulações de dinâmica de fluidos computacional para produzir apenas uma simulação. Ela está atualmente adaptada para projetar bicos de propulsores de espaçonaves.

“Physics AI é o próximo nível de complexidade em IA, e a Northrop Grumman está trazendo essa tecnologia para nossos engenheiros de design para acelerar drasticamente o desenvolvimento de hardware. Usar IA para fazer algo pequeno, como um propulsor de espaçonave, nos coloca em um caminho para fazer coisas muito maiores, como usar IA para projetar componentes maiores ou até uma espaçonave inteira.”

– Han Park, vice‑presidente de integração de IA na Northrop Grumman Space Systems

Para construir modelos que possam gerar novos designs para prever o mundo físico, a startup não usou os dados disponíveis na internet mas sim usou as leis da física para criar designs de espaçonaves.

“Compensamos a falta de dados com o fato de que não estamos tentando prever se aquela imagem ou conjunto de pixels é um gato, um cachorro ou um elefante. Em vez disso, estamos tentando prever se o fluxo de ar se comporta de uma maneira que obedeça a alguns princípios físicos.”

– disse o CTO da Luminary Cloud, Juan Alonso

Agora, quanto ao desempenho de mercado da empresa, no momento da escrita, os US$ 85 bilhões de capitalização de mercado das ações da Northrop Grumman estão sendo negociadas por volta de US$ 595, alta de 26,8 % neste ano. No início deste mês, as ações da NOC atingiram um recorde histórico (ATH) de US$ 640,90.