Os cientistas recorreram à inteligência artificial (IA) para entender melhor por que algumas remanescentes estelares mortas, chamadas de anãs brancas, explodem. Essas explosões energéticas, conhecidas como supernovas do tipo Ia, podem ser responsáveis por forjar elementos pesados e disseminá-los pelo cosmos. São esses elementos que podem vir a se tornar os blocos de construção de futuras estrelas, planetas ou até mesmo vida. As emissões associadas às supernovas tipo Ia são tão características que os astrônomos se referem a esses eventos como “velas padronizadas” e as utilizam para medir vastíssimas distâncias cósmicas.
Contudo, essas explosões cósmicas são muito diferentes das supernovas que acompanham as mortes de estrelas massivas, as quais resultam no nascimento de estrelas de nêutrons e buracos negros. As supernovas tipo Ia acontecem quando uma anã branca “morta” se alimenta de material retirado de uma estrela companheira.
No entanto, apesar da importância das supernovas tipo Ia na evolução cósmica e sua utilidade como uma ferramenta de medição celeste, os astrônomos ainda não sabem exatamente como ou por que elas ocorrem. “Quando investigamos supernovas, analisamos seus espectros. Os espectros mostram a intensidade da luz sobre diferentes comprimentos de onda, que é impactada pelos elementos criados na supernova. Cada elemento interage com a luz em comprimentos de onda únicos e, portanto, deixa uma assinatura única nos espectros”, disse o autor principal da pesquisa, Mark Magee, da Universidade de Warwick. “Analisar essas assinaturas pode ajudar a identificar quais elementos são criados em uma supernova e fornecer mais detalhes sobre como as supernovas explodiram.”
Em cerca de 5 bilhões de anos, o sol ficará sem hidrogênio, o combustível necessário para a fusão nuclear em seu núcleo. O fim dessa fusão de hidrogênio em hélio também cortará a pressão de radiação para fora que atualmente sustenta o sol contra o empuxo gravitacional interno. O núcleo do sol entrará em colapso; suas camadas externas, onde ainda ocorre fusão nuclear, se expandirão. Isso transformará o sol em uma gigante vermelha, uma fase em que ele se expandirá até a órbita de Marte. Isso significa que os planetas internos do sistema solar, incluindo a Terra, serão engolidos. Essa fase de gigante vermelha durará cerca de 1 bilhão de anos, o que representa cerca de 10% da vida total do sol. Durante essa fase, as camadas externas infladas do sol se dispersarão e esfriarão. O resultado final será um núcleo estelar em brasas, ou anã branca, rodeado por uma nuvem de gás e poeira chamada de nebulosa planetária (que ironicamente não tem nada a ver com planetas). Para o sol, a fase de anã branca marcará o fim de sua existência.
Outras estrelas aproximadamente do tamanho do sol também se transformam em anãs brancas, mas se tiverem uma companheira binária, isso pode não ser o fim de suas vidas. Em vez de desaparecerem, algumas anãs brancas podem sair com uma explosão. Assim como um vampiro saindo do túmulo para se alimentar do sangue de uma vítima inocente, se um cadáver estelar de anã branca estiver próximo o suficiente de uma estrela companheira (ou se essa estrela tiver inchado durante sua própria fase de gigante vermelha), ela pode começar a se alimentar do material estelar de sua vítima.
No entanto, a matéria dessa estrela doadora não pode cair diretamente na superfície da anã branca, devido à conservação do momento angular. Em vez disso, forma um disco entre a estrela doadora e a anã branca, feito de material gradualmente alimentado ao remanescente estelar denso. Essa matéria acumulada se empilha na superfície do remanescente estelar, aumentando a massa da anã branca além do chamado limite de Chandrasekhar, que é igual a 1,4 vezes a massa do sol. Esse é o limite de massa que uma estrela deve cruzar para entrar em supernova. A alimentação canibalesca de uma anã branca em uma estrela doadora acaba dando origem a uma explosão termonuclear desenfreada: uma supernova tipo Ia.
Uma das principais diferenças entre as supernovas tipo Ia e as supernovas de “colapso de núcleo”, que ocorrem quando os núcleos de estrelas massivas entram em colapso, esmagados até o nascimento de estrelas de nêutrons ou buracos negros, é que as anãs brancas são completamente destruídas pela explosão resultante de sua alimentação voraz.
Para entender melhor esse processo, a equipe da Universidade de Warwick recorreu ao aprendizado de máquina. Ao utilizar essa forma de IA, a equipe conseguiu acelerar as simulações de supernovas tipo Ia, que tradicionalmente exigem muito tempo e uma enorme quantidade de poder computacional. Normalmente, um modelo pode levar entre 10 e 90 minutos, explicou a equipe. “Queremos comparar centenas ou milhares de modelos para entender completamente a supernova. Isso não é realmente viável em muitos casos”, disse Magee. “Nossa nova pesquisa se afastará desse processo demorado. Treinaremos algoritmos de aprendizado de máquina no que diferentes tipos de explosões parecem e os usaremos para gerar modelos muito mais rapidamente.” Ele acrescentou que, de maneira semelhante à forma como os humanos empregam IA para gerar arte ou texto, os pesquisadores poderão gerar simulações de supernovas. A equipe agora pode comparar os resultados entregues por suas simulações alimentadas por IA com observações reais de supernovas tipo Ia.
“Poderemos gerar milhares de modelos em menos de um segundo, o que será um enorme impulso para a pesquisa de supernovas”, disse Magee. “A partir desses dados, preparamos modelos, que são comparados a supernovas reais para estabelecer que tipo de supernova é e exatamente como ela explodiu.”
Os benefícios dessa abordagem, no entanto, não se limitam à velocidade. A maior precisão do processo baseado em IA também permitirá que os pesquisadores determinem melhor a gama de elementos forjados ao redor de explosões de tipo Ia que são então dispersos no cosmos. “Explorar os elementos liberados pelas supernovas é um passo crucial para determinar o tipo de explosão que ocorreu, já que certos tipos de explosões produzem mais alguns elementos do que outros”, disse Magee. “Podemos então relacionar as propriedades da explosão de volta às propriedades das galáxias hospedeiras da supernova e estabelecer um link direto entre como a explosão aconteceu e o tipo de anã branca que explodiu.”
A equipe agora tentará expandir seu processo para que possa ser aplicado a outras supernovas, incluindo aquelas associadas à criação de estrelas de nêutrons e buracos negros. Isso poderia ajudar a conectar as características dessas supernovas às galáxias nas quais elas ocorrem. “Com os levantamentos modernos, finalmente temos conjuntos de dados do tamanho e qualidade para abordar algumas das principais questões remanescentes na ciência de supernovas: como exatamente elas explodem”, disse o membro da equipe Thomas Killestein, da Universidade de Turku. “Abordagens de aprendizado de máquina como esta permitem estudos de um maior número de supernovas, com mais detalhes e consistência do que as abordagens anteriores.”
