IA calcula com preciso os parmetros de configurao do Universo

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Redação do Site Inovação Tecnológica – 06/09/2024

Modelo-padro do Universo

A teoria cosmolgica mais aceita atualmente, que os cientistas chamam de modelo-padro do Universo, depende de apenas seis nmeros, aos quais se pode chegar por clculos tericos ou por observaes.

Mas ChangHoon Hahn e colegas de vrias universidades ao redor do mundo decidiram usar uma nova abordagem, usando inteligncia artificial (IA) para tentar extrair “informaes ocultas” – no detectadas nas anlises humanas – na distribuio das galxias.

O resultado foi impressionante: O programa conseguiu estimar os valores de cinco dos seis parmetros cosmolgicos com incrvel preciso.

Na verdade foi melhor do que isso: Os resultados alcanaram uma melhoria significativa em relao aos valores produzidos pelos mtodos tradicionais. Em comparao com as tcnicas convencionais, usando os mesmos dados de galxias, a IA produziu menos da metade da incerteza para o parmetro que descreve a aglomerao da matria do Universo. O mtodo tambm concordou estreitamente com estimativas dos parmetros cosmolgicos com base em observaes de outros fenmenos, como a luz mais antiga do Universo, a famosa radiao de fundo de micro-ondas.

“Cada uma dessas pesquisas [rastreios de observaes reais] custa centenas de milhes a bilhes de dlares,” disse Shirley Ho, do Instituto Flatiron, nos EUA. “A principal razo pela qual essas pesquisas existem porque queremos entender melhor esses parmetros cosmolgicos. Ento, se voc pensar nisso em um sentido muito prtico, esses parmetros valem dezenas de milhes de dlares cada um. Voc quer a melhor anlise possvel para extrair o mximo de conhecimento possvel dessas pesquisas e expandir os limites da nossa compreenso do Universo.”

Este instantneo compara a distribuio de galxias em um universo simulado usado para treinar o SimBIG (direita) com a distribuio de galxias vista no universo real (esquerda).
[Imagem: Bruno Rgaldo-Saint Blancard/SimBIG collaboration]

Parmetros cosmolgicos

Os seis parmetros cosmolgicos descrevem a quantidade de matria comum, a matria escura, a energia escura e as condies que se seguiram ao Big Bang, como a opacidade do Universo recm-nascido medida que ele esfriava e se a massa no cosmos est espalhada homogeneamente ou em grandes aglomerados.

“[Esses parmetros] so essencialmente as ‘configuraes’ do Universo, que determinam como ele opera nas maiores escalas,” disse Liam Parker, da Universidade de Princeton.

Uma dos modos mais importantes de os cosmlogos calcularem os parmetros estudando o agrupamento das galxias. Tradicionalmente, essas anlises lidam com a distribuio em larga escala das galxias, mas dados mais recentes vm indicando que h informaes importantes escondidas nas escalas menores. O problema que ningum sabia como extrair essas informaes. Foi a que veio a ideia de usar inteligncia artificial.

A implementao da ideia teve duas fases: Na primeira, um modelo de IA foi treinado para determinar os valores dos parmetros cosmolgicos com base na aparncia de universos simulados; na segunda fase, o modelo recebeu observaes reais da distribuio de galxias. Na primeira fase, o modelo aprendeu como os valores dos parmetros cosmolgicos se correlacionam com diferenas de pequena escala nos agrupamentos de galxias, como a distncia entre pares individuais de galxias. Na segunda fase, depois de receber dados de 109.636 galxias reais, o modelo aproveitou detalhes de pequena e grande escala nos dados para aumentar a preciso de suas estimativas dos parmetros cosmolgicos.

Essas estimativas melhoradas ficaram to precisas que so equivalentes a uma anlise tradicional usando cerca de quatro vezes mais galxias – quanto mais dados, maior a preciso de cada resultado.

Restries dos parmetros cosmolgicos calculados pela abordagem de IA.
[Imagem: ChangHoon Hahn et al. – 10.1038/s41550-024-02344-2]

Tenso de Hubble

Uma aplicao imediata desse ganho de preciso envolver a crise cosmolgica conhecida como tenso de Hubble. A tenso surge de estimativas desencontradas da constante de Hubble, que descreve a rapidez com que tudo no Universo est se espalhando.

O clculo da constante de Hubble requer a estimativa do tamanho do Universo usando “rguas csmicas”: Estimativas baseadas na distncia de supernovas so cerca de 10% maiores do que aquelas baseadas no espaamento das flutuaes na luz mais antiga do Universo, conhecida como fundo csmico de micro-ondas, ou radiao de fundo.

Assim, qualquer ganho de preciso importante para verificar se essa diferena no meramente o acmulo de erros em cada mtodo de anlise, ou se precisamos montar um novo modelo do Universo.

“Se medirmos as quantidades com muita preciso e pudermos dizer com firmeza que h uma tenso, isso poder revelar uma nova fsica sobre a energia escura e a expanso do Universo,” concluiu Hahn.

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