How to take a picture of a black hole | Katie Bouman

Tradutor: Sarah Tambur Revisor: Maricene Crus

In the movie "Interstellar,"

No filme "Interestelar",

temos uma visão detalhada de um buraco negro supermassivo.

we get an up-close look at a supermassive black hole.

Set against a backdrop of bright gas,

Em contraste com um fundo de gás brilhante,

the black hole's massive gravitational pull

a força gravitacional massiva do buraco negro

bends light into a ring.

direciona a luz em um círculo.

However, this isn't a real photograph,

No entanto, essa não é uma fotografia real,

but a computer graphic rendering --

mas uma versão de computação gráfica,

an artistic interpretation of what a black hole might look like.

uma interpretação do que pode ser a aparência de um buraco negro.

A hundred years ago,

Cem anos atrás,

Albert Einstein first published his theory of general relativity.

Albert Einstein publicou sua teoria da relatividade geral.

In the years since then,

Desde então, cientistas já apresentaram muitos indícios que a confirmam.

scientists have provided a lot of evidence in support of it.

But one thing predicted from this theory, black holes,

Mas algo previsto nessa teoria, os buracos negros,

still have not been directly observed.

ainda não foi observado diretamente.

Although we have some idea as to what a black hole might look like,

Embora tenhamos uma ideia sobre a aparência de um buraco negro,

we've never actually taken a picture of one before.

na verdade, nunca fotografamos um.

However, you might be surprised to know that that may soon change.

Entretanto, isso deve mudar em breve.

We may be seeing our first picture of a black hole in the next couple years.

Talvez vejamos a primeira fotografia de um buraco negro nos próximos anos.

Getting this first picture will come down to an international team of scientists,

Para isso, será necessária uma equipe internacional de cientistas,

an Earth-sized telescope

um telescópio do tamanho da Terra e um algorítimo que monta a imagem final.

and an algorithm that puts together the final picture.

Although I won't be able to show you a real picture of a black hole today,

Não poderei mostrar uma fotografia real de um buraco negro hoje,

I'd like to give you a brief glimpse into the effort involved

mas quero dar a vocês uma breve visão do esforço envolvido

in getting that first picture.

em conseguir essa primeira foto.

My name is Katie Bouman,

Meu nome é Katie Bouman e sou doutoranda no MIT.

and I'm a PhD student at MIT.

I do research in a computer science lab

Faço pesquisas em um laboratório

that works on making computers see through images and video.

que tenta fazer com que computadores vejam além de imagens e vídeo.

But although I'm not an astronomer,

Apesar de não ser astrônoma,

hoje quero mostrar como pude contribuir para esse interessante projeto.

today I'd like to show you

how I've been able to contribute to this exciting project.

If you go out past the bright city lights tonight,

Se olharem além das luzes da cidade hoje,

you may just be lucky enough to see a stunning view

poderão ter a sorte de uma vista deslumbrante da Via Láctea.

of the Milky Way Galaxy.

And if you could zoom past millions of stars,

E, se olhassem além das milhões de estrelas,

26,000 light-years toward the heart of the spiraling Milky Way,

26 mil anos-luz em direção ao interior do espiral da Via Láctea,

we'd eventually reach a cluster of stars right at the center.

encontrariam um aglomerado de estrelas bem ao centro.

Peering past all the galactic dust with infrared telescopes,

Espiando além da poeira galáctica com telescópios de infravermelho,

astronomers have watched these stars for over 16 years.

astrônomos vêm observando essas estrelas por mais de 16 anos.

But it's what they don't see that is the most spectacular.

Mas o mais espetacular é o que eles não veem.

These stars seem to orbit an invisible object.

Essas estrelas parecem orbitar em torno de um objeto invisível.

By tracking the paths of these stars,

Monitorando o trajeto dessas estrelas, astrônomos concluíram

astronomers have concluded

that the only thing small and heavy enough to cause this motion

que a única coisa pequena e pesada o suficiente para gerar o movimento

is a supermassive black hole --

é um buraco negro supermassivo,

an object so dense that it sucks up anything that ventures too close --

um objeto tão denso que suga tudo que passa por perto,

even light.

até a luz.

But what happens if we were to zoom in even further?

Mas o que acontece se olharmos mais a fundo?

Is it possible to see something that, by definition, is impossible to see?

É possível enxergar algo que, por definição, é impossível de ser visto?

Well, it turns out that if we were to zoom in at radio wavelengths,

Ocorre que, se dermos um close ao comprimento de ondas de rádio,

we'd expect to see a ring of light

esperamos ver um círculo de luz gerado pela lente gravitacional do plasma quente

caused by the gravitational lensing of hot plasma

movendo-se em torno do buraco negro.

zipping around the black hole.

In other words,

Ou seja, o buraco negro lança uma sombra nesse cenário de material brilhante,

the black hole casts a shadow on this backdrop of bright material,

criando uma esfera de escuridão.

carving out a sphere of darkness.

This bright ring reveals the black hole's event horizon,

Esse círculo brilhante revela o horizonte de eventos do buraco negro,

where the gravitational pull becomes so great

no qual a força gravitacional torna-se tão intensa

that not even light can escape.

que nem a luz consegue escapar.

Einstein's equations predict the size and shape of this ring,

As equações de Einstein preveem tamanho e forma do círculo,

so taking a picture of it wouldn't only be really cool,

então fotografá-lo não seria apenas legal:

it would also help to verify that these equations hold

também ajudaria a verificar se as equações se sustentam

in the extreme conditions around the black hole.

nas situações extremas ao redor do buraco negro.

However, this black hole is so far away from us,

No entanto, esse buraco negro está tão distante de nós

that from Earth, this ring appears incredibly small --

que, da Terra, esse círculo aparece incrivelmente pequeno:

the same size to us as an orange on the surface of the moon.

do mesmo tamanho de uma laranja na superfície da Lua.

That makes taking a picture of it extremely difficult.

Isso faz com que seja extremamente difícil fotografá-lo.

Why is that?

Mas por quê?

Well, it all comes down to a simple equation.

Tudo se resume a uma simples equação.

Due to a phenomenon called diffraction,

Devido a um fenômeno chamado difração,

there are fundamental limits

há limites fundamentais para os menores objetos que conseguimos ver.

to the smallest objects that we can possibly see.

This governing equation says that in order to see smaller and smaller,

Essa equação governante diz que, para vermos coisas cada vez menores,

we need to make our telescope bigger and bigger.

precisamos construir telescópios cada vez maiores.

Mas, até com os telescópios ópticos mais potentes aqui na Terra,

But even with the most powerful optical telescopes here on Earth,

we can't even get close to the resolution necessary

não chegamos nem perto da resolução necessária

to image on the surface of the moon.

para retratar a superfície da Lua.

In fact, here I show one of the highest resolution images ever taken

Aliás, mostro aqui uma das imagens com maior resolução já tiradas

of the moon from Earth.

da Lua daqui da Terra.

It contains roughly 13,000 pixels,

Possui aproximadamente 13 mil pixels,

and yet each pixel would contain over 1.5 million oranges.

e, ainda, cada pixel contém 1,5 milhões de laranjas.

So how big of a telescope do we need

Então, quão grande deve ser o telescópio

in order to see an orange on the surface of the moon

para podermos ver uma laranja na superfície da Lua

and, by extension, our black hole?

e, por extensão, nosso buraco negro?

Well, it turns out that by crunching the numbers,

Bem, analisando os números,

you can easily calculate that we would need a telescope

calculamos facilmente que precisaríamos de um telescópio do tamanho da Terra.

the size of the entire Earth.

(Laughter)

(Risos)

If we could build this Earth-sized telescope,

Se conseguíssemos construir esse telescópio,

poderíamos começar a avistar esse distinto círculo de luz

we could just start to make out that distinctive ring of light

que indica o horizonte de eventos do buraco negro.

indicative of the black hole's event horizon.

Essa fotografia não mostraria todos os detalhes que vemos

Although this picture wouldn't contain all the detail we see

nas versões de computação gráfica,

in computer graphic renderings,

it would allow us to safely get our first glimpse

mas permitiria que tivéssemos a primeira visão

of the immediate environment around a black hole.

do ambiente intermediário ao redor do buraco negro.

However, as you can imagine,

No entanto, como podem imaginar,

building a single-dish telescope the size of the Earth is impossible.

construir um telescópio do tamanho da Terra é impossível.

But in the famous words of Mick Jagger,

Mas, nas palavras de Mick Jagger: "Você nem sempre consegue o que quer,

"You can't always get what you want,

but if you try sometimes, you just might find

mas, se tentar, às vezes, vai perceber que consegue o que precisa".

you get what you need."

And by connecting telescopes from around the world,

Conectando telescópios do mundo todo,

an international collaboration called the Event Horizon Telescope

uma parceria internacional chamada Event Horizon Telescope

is creating a computational telescope the size of the Earth,

está criando um telescópio computacional do tamanho da Terra

capable of resolving structure

que soluciona estruturação no nível do horizonte de eventos do buraco negro.

on the scale of a black hole's event horizon.

This network of telescopes is scheduled to take its very first picture

Essa rede de telescópios deve tirar a primeira foto de um buraco negro

of a black hole next year.

no ano que vem.

Each telescope in the worldwide network works together.

Todos os telescópios nessa rede mundial trabalham juntos.

Linked through the precise timing of atomic clocks,

Ligados pelo horário preciso dos relógios atômicos,

teams of researchers at each of the sites freeze light

as equipes de pesquisadores em cada local congelam a luz

by collecting thousands of terabytes of data.

coletando milhares de terabytes em dados.

This data is then processed in a lab right here in Massachusetts.

Esses dados são processados em um laboratório aqui em Massachusetts.

So how does this even work?

Então, como funciona isso?

Remember if we want to see the black hole in the center of our galaxy,

Lembram-se de que, para vermos o buraco negro no centro na galáxia,

precisamos construir aquele telescópio do tamanho da Terra?

we need to build this impossibly large Earth-sized telescope?

For just a second, let's pretend we could build

Por um momento, vamos imaginar que conseguimos construir esse telescópio.

a telescope the size of the Earth.

This would be a little bit like turning the Earth

Seria como transformar a Terra em uma bola de espelhos gigante.

into a giant spinning disco ball.

Each individual mirror would collect light

Cada espelho receberia luz

that we could then combine together to make a picture.

que poderíamos, então, juntar para formar uma imagem.

However, now let's say we remove most of those mirrors

Agora, imaginem que removamos a maior parte dos espelhos,

so only a few remained.

deixando restar apenas alguns.

We could still try to combine this information together,

Ainda poderíamos juntar essas informações, mas agora há muitos buracos.

but now there are a lot of holes.

These remaining mirrors represent the locations where we have telescopes.

Os espelhos restantes representam os locais onde temos telescópios.

This is an incredibly small number of measurements to make a picture from.

É um número incrivelmente pequeno de leituras para formar uma imagem.

But although we only collect light at a few telescope locations,

Mas, apesar de só recebermos luz em alguns locais,

as the Earth rotates, we get to see other new measurements.

conforme a Terra gira, podemos ver outras leituras.

In other words, as the disco ball spins, those mirrors change locations

Ou seja, conforme a bola de espelhos gira, os espelhos mudam de lugar

and we get to observe different parts of the image.

e podemos observar partes diferentes da imagem.

The imaging algorithms we develop fill in the missing gaps of the disco ball

Os algorítimos de imagem que desenvolvemos preenchem os espaços na bola de espelhos

in order to reconstruct the underlying black hole image.

para reconstruir a imagem subjacente do buraco negro.

If we had telescopes located everywhere on the globe --

Se tivéssemos telescópios em todos os lugares do globo,

in other words, the entire disco ball --

ou seja, a bola de discos inteira,

this would be trivial.

isso seria trivial.

However, we only see a few samples, and for that reason,

No entanto, vemos apenas algumas amostras e, por isso,

there are an infinite number of possible images

há um número infinito de imagens possíveis

that are perfectly consistent with our telescope measurements.

que são coerentes com as leituras dos telescópios.

However, not all images are created equal.

Mas nem todas as imagens são criadas igualmente.

Some of those images look more like what we think of as images than others.

Algumas parecem mais com nossa ideia de imagem do que outras.

And so, my role in helping to take the first image of a black hole

Meu papel ao ajudar a fotografar o buraco negro pela primeira vez

is to design algorithms that find the most reasonable image

é desenvolver algorítimos que encontrem a imagem mais aceitável

that also fits the telescope measurements.

que se encaixe nas leituras do telescópio.

Just as a forensic sketch artist uses limited descriptions

Assim como desenhistas forenses usam descrições limitadas

to piece together a picture using their knowledge of face structure,

para reconstruir uma fotografia com conhecimento em estruturas faciais,

the imaging algorithms I develop use our limited telescope data

os algorítimos que desenvolvo usam dados limitados do telescópio

to guide us to a picture that also looks like stuff in our universe.

para nos levar a uma imagem que também se pareça com as substâncias no universo.

Using these algorithms, we're able to piece together pictures

Usando esses algorítimos, podemos reconstruir imagens

from this sparse, noisy data.

a partir desses poucos dados ruidosos.

So here I show a sample reconstruction done using simulated data,

Aqui está um exemplo de reconstrução feita com dados simulados,

when we pretend to point our telescopes

em que simulamos apontar os telescópios para o buraco negro no centro da galáxia.

to the black hole in the center of our galaxy.

Although this is just a simulation, reconstruction such as this give us hope

Apesar de ser apenas uma simulação,

esse tipo de reconstrução nos dá esperança

that we'll soon be able to reliably take the first image of a black hole

de que logo poderemos, de fato, fotografar um buraco negro

and from it, determine the size of its ring.

e, a partir disso, determinar sua circunferência.

Although I'd love to go on about all the details of this algorithm,

Gostaria muito de falar sobre os detalhes desse algorítimo,

luckily for you, I don't have the time.

mas, para a sorte de vocês, não temos tempo.

But I'd still like to give you a brief idea

Ainda assim, quero dar uma breve noção

of how we define what our universe looks like,

sobre como definimos a aparência do universo

and how we use this to reconstruct and verify our results.

e como usamos isso para reconstruir e verificar nossos resultados.

Since there are an infinite number of possible images

Como há um número infinito de imagens possíveis,

that perfectly explain our telescope measurements,

que bem explicam as leituras do telescópio,

we have to choose between them in some way.

temos que escolher entre elas de alguma forma.

We do this by ranking the images

Fazemos isso classificando as imagens

based upon how likely they are to be the black hole image,

com base na probabilidade de serem imagens do buraco negro

and then choosing the one that's most likely.

e escolhendo a mais provável.

So what do I mean by this exactly?

O que isso significa?

Let's say we were trying to make a model

Imaginem que tentamos montar um modelo

that told us how likely an image were to appear on Facebook.

que mostra a probabilidade de uma imagem aparecer no Facebook.

We'd probably want the model to say

Seria preferível que ele mostrasse

it's pretty unlikely that someone would post this noise image on the left,

que é bem improvável que alguém poste essa imagem ruidosa à esquerda,

and pretty likely that someone would post a selfie

e que é bem provável que alguém poste uma "selfie" como a da direita.

like this one on the right.

The image in the middle is blurry,

A imagem ao centro está desfocada,

so even though it's more likely we'd see it on Facebook

então, embora seja mais provável vê-la no Facebook do que a imagem ruidosa,

compared to the noise image,

it's probably less likely we'd see it compared to the selfie.

é menos provável vê-la ao compará-la com a "selfie".

But when it comes to images from the black hole,

Mas, quando se trata de imagens do buraco negro,

deparamo-nos com um enigma: nunca vimos um buraco negro.

we're posed with a real conundrum: we've never seen a black hole before.

In that case, what is a likely black hole image,

Então, como deve ser a imagem de um buraco negro,

e o que supor sobre a estrutura dos buracos negros?

and what should we assume about the structure of black holes?

We could try to use images from simulations we've done,

Podemos tentar usar imagens de simulações que fizemos,

like the image of the black hole from "Interstellar,"

como a imagem do buraco negro de "Interestelar",

mas, se fizermos isso, podemos causar sérios problemas.

but if we did this, it could cause some serious problems.

What would happen if Einstein's theories didn't hold?

O que aconteceria se a teoria de Einstein não fosse sustentada?

We'd still want to reconstruct an accurate picture of what was going on.

Ainda íamos querer reconstruir um cenário preciso do que estava acontecendo.

If we bake Einstein's equations too much into our algorithms,

Se incorporarmos demais as equações de Einstein em nossos algorítimos,

we'll just end up seeing what we expect to see.

vamos acabar vendo o que esperamos ver.

In other words, we want to leave the option open

Queremos deixar as opções em aberto

para caso haja um elefante gigante no centro da galáxia.

for there being a giant elephant at the center of our galaxy.

(Laughter)

(Risos)

Different types of images have very distinct features.

Tipos diferentes de imagens têm características bem distintas.

We can easily tell the difference between black hole simulation images

Podemos diferenciar facilmente imagens de simulação do buraco negro

and images we take every day here on Earth.

das fotos tiradas todos os dias aqui na Terra.

We need a way to tell our algorithms what images look like

Precisamos saber dizer aos algorítimos como as imagens são

without imposing one type of image's features too much.

sem aplicar somente um tipo de característica.

One way we can try to get around this

Uma forma de contornarmos isso

is by imposing the features of different kinds of images

é aplicando características de diferentes tipos de imagens

and seeing how the type of image we assume affects our reconstructions.

para ver como o tipo de imagem que adotamos afeta as reconstruções.

If all images' types produce a very similar-looking image,

Se todos os tipos de imagem produzem uma imagem similar,

then we can start to become more confident

podemos começar a ficar mais confiantes

that the image assumptions we're making are not biasing this picture that much.

de que as suposições que estamos fazendo não influenciam muito a foto.

This is a little bit like giving the same description

É quase como dar a mesma descrição

to three different sketch artists from all around the world.

a três desenhistas de diferentes partes do mundo.

If they all produce a very similar-looking face,

Se todos produzirem um rosto parecido,

then we can start to become confident

podemos começar a confiar

that they're not imposing their own cultural biases on the drawings.

que não estão aplicando suas tendências culturais nos desenhos.

One way we can try to impose different image features

Uma forma de aplicarmos diferentes características de imagem

is by using pieces of existing images.

é usando partes de imagens existentes.

So we take a large collection of images,

Pegamos um grande conjunto de imagens e as repartimos em pequenos pedaços.

and we break them down into their little image patches.

We then can treat each image patch a little bit like pieces of a puzzle.

Podemos considerar cada pedaço uma peça de quebra-cabeça.

And we use commonly seen puzzle pieces to piece together an image

E utilizamos peças comumente vistas para montar uma imagem

that also fits our telescope measurements.

que se encaixa nas leituras do telescópio.

Different types of images have very distinctive sets of puzzle pieces.

Tipos diferentes de imagens têm conjuntos diferentes de peças.

So what happens when we take the same data

Então, o que acontece quando pegamos os mesmos dados

but we use different sets of puzzle pieces to reconstruct the image?

mas usamos conjuntos diferentes de peças para reconstruir a imagem?

Let's first start with black hole image simulation puzzle pieces.

Vamos começar com as peças da simulação da imagem do buraco negro.

OK, this looks reasonable.

Bem, parece aceitável. É como esperamos que seja um buraco negro.

This looks like what we expect a black hole to look like.

But did we just get it

Mas será que a obtivemos

porque utilizamos partes de imagens de simulação do buraco negro?

because we just fed it little pieces of black hole simulation images?

Let's try another set of puzzle pieces

Vamos tentar outro conjunto de peças de outros objetos astronômicos.

from astronomical, non-black hole objects.

OK, we get a similar-looking image.

Conseguimos uma imagem semelhante.

And then how about pieces from everyday images,

E que tal partes de imagens cotidianas,

like the images you take with your own personal camera?

como as fotos que tiramos com nossas câmeras?

Great, we see the same image.

Ótimo, vemos a mesma imagem.

When we get the same image from all different sets of puzzle pieces,

Quando obtemos a mesma imagem de todos os conjuntos de peças,

then we can start to become more confident

podemos começar a ficar mais confiantes

that the image assumptions we're making

de que as suposições que fazemos não influenciam muito a imagem final.

aren't biasing the final image we get too much.

Another thing we can do is take the same set of puzzle pieces,

Também podemos pegar o mesmo conjunto de peças,

such as the ones derived from everyday images,

como aquelas extraídas de imagens cotidianas,

and use them to reconstruct many different kinds of source images.

e usá-las para reconstruir vários tipos diferentes de imagens originais.

So in our simulations,

Então, nas simulações,

we pretend a black hole looks like astronomical non-black hole objects,

imaginamos que um buraco negro se parece com outros objetos astronômicos,

as well as everyday images like the elephant in the center of our galaxy.

bem como imagens cotidianas se parecem com elefantes no centro da galáxia.

When the results of our algorithms on the bottom look very similar

Quando os resultados dos algorítimos abaixo são semelhantes

to the simulation's truth image on top,

à simulação de imagem real acima,

then we can start to become more confident in our algorithms.

podemos começar a confiar em nossos algorítimos.

And I really want to emphasize here

E quero destacar aqui que todas essas images foram criadas

that all of these pictures were created

by piecing together little pieces of everyday photographs,

juntando pequenas peças de fotografias cotidianas,

like you'd take with your own personal camera.

como as que tiramos com nossas câmeras.

So an image of a black hole we've never seen before

Então, uma imagem de um buraco negro jamais vista

may eventually be created by piecing together pictures we see all the time

pode ser criada se juntarmos imagens que vemos o tempo todo

of people, buildings, trees, cats and dogs.

de pessoas, prédios, árvores, gatos e cães.

Imaging ideas like this will make it possible for us

Ideias de imagens como essas permitirão

to take our very first pictures of a black hole,

que tiremos as primeiras fotos de um buraco negro

and hopefully, verify those famous theories

e, com sorte, comprovemos as famosas teorias

on which scientists rely on a daily basis.

com as quais os cientistas contam diariamente.

But of course, getting imaging ideas like this working

Mas é claro que a obtenção de ideias como essas

would never have been possible without the amazing team of researchers

nunca teria sido possível sem a incrível equipe de pesquisadores

that I have the privilege to work with.

com quem tenho o privilégio de trabalhar.

Ainda me surpreende

It still amazes me

that although I began this project with no background in astrophysics,

que, embora tenha começado o projeto sem conhecimento em astrofísica,

what we have achieved through this unique collaboration

o que alcançamos por meio dessa colaboração singular

poderá resultar nas primeiras imagens de um buraco negro.

could result in the very first images of a black hole.

But big projects like the Event Horizon Telescope

Mas grandes projetos como o Event Horizon Telescope

are successful due to all the interdisciplinary expertise

obtêm êxito devido a todo o conhecimento interdisciplinar

different people bring to the table.

que pessoas diferentes trazem.

We're a melting pot of astronomers,

Somos uma mistura de astrônomos, físicos, matemáticos e engenheiros.

physicists, mathematicians and engineers.

This is what will make it soon possible

Em breve, será possível alcançar algo que já foi considerado impossível.

to achieve something once thought impossible.

I'd like to encourage all of you to go out

Gostaria de encorajá-los a saírem

and help push the boundaries of science,

e ajudarem a ampliar os limites da ciência,

even if it may at first seem as mysterious to you as a black hole.

mesmo que, no início, pareça tão misterioso quanto um buraco negro.

Thank you.

Obrigada.

(Applause)

(Aplausos)