Space Time Quest: o jogo para construir seu detector de ondas gravitacionais

Para você que vem seguindo o blog Surfista Gravitacional e é entusiasta com a nova era da Astronomia de ondas gravitacionais, hoje vamos apresentar o jogo Space-Time Quest! Este jogo, desenvolvido por pesquisadores da Universidade de Birmingham (UK), dá a oportunidade de construir seu próprio detector interferométrico de ondas gravitacionais. 

O jogador deve fazer escolhas e tomar decisões para tentar usar a melhor tecnologia disponível ao mesmo tempo em que administra seu orçamento. É possível variar a massa dos espelhos do detector, a potência do laser, a temperatura do detector e ver como cada item altera a sensibilidade por meio de gráficos atualizados em tempo real.

Quando estiver pronto, depois de escolher a configuração desejada, basta clicar em ‘Run’ para entrar em modo científico e ver quantos sinais de ondas gravitacionais foi possível detectar.

Depois de alcançar a primeira pontuação (quantas ondas gravitacionais foram detectadas), é possível voltar atrás e tentar uma pontuação mais alta, sabendo que os cientistas do LIGO também estão no topo do ranking de pontuação em ondas gravitacionais. Mas é possível vencê-los, literalmente! Para o caso de dúvidas, o papagaio-robô, Pollygon, estará disposto a lhe ajudar. Basta clicar sobre ele! E aí, topa o desafio?

O jogo está disponível para plataformas iOS e Android em suas lojas de aplicativos e para Windows, macOS e Linux no site https://www.laserlabs.org/spacetimequest.php

O jogo foi traduzido para Português (BR)* por Márcio Constâncio Jr, que é membro do grupo brasileiro que está na colaboração científica LIGO.
* A partir da versão 1.5.
Além disso, uma versão em Python também está disponível para quem tiver interesse em conhecer um pouco mais das equações usadas no jogo.

Como jogar

Segue abaixo um vídeo tutorial, demonstrando como jogar o Space-Time Quest (em inglês) e, logo a seguir um breve texto explicativo.

O objetivo geral do jogo é projetar um interferômetro para detectar ondas gravitacionais de fontes astrofísicas distantes. Isto é possível aumentando a sensibilidade do detector, permitindo detectar estes sinais incrivelmente fracos.

Um dos principais problemas com detectores de ondas gravitacionais situados na superfície da Terra é o ruído que vem do ambiente, e o ruído que está sempre presente nos equipamentos que nós medimos as ondas. Esse ruído pode atrapalhar ou mesmo impedir a detecção de todos os sinais fracos de fontes de ondas gravitacionais distantes que poderiam ser detectados. Para ver essas fontes, deve-se reduzir o ruído de todos os equipamentos usados para produzir um detector incrivelmente sensível. Enquanto joga, o jogador tem a capacidade de experimentar como as muitas variáveis diferentes afetam o detector, como: a potência do laser, o sistema de isolamento vibracional, o resfriamento criogênico, a localização do detector e muitos outros. Todos estes precisam ser equilibrados, não apenas no desempenho, mas em quanto custam, já que não se tem uma fonte infinita de dinheiro!

Iniciando o jogo a partir da tela principal, é solicitado digitar o nome do jogador e um nome para o seu detector. Em seguida, deve-se escolher uma das quatro opções sobre o local onde o detector seria construído. Ao clicar em cada um dos locais (Cidade, Deserto, Ilha ou Floresta), é possível ver os vários atributos desse local. Quanto maior o número de estrelas para o ruído, mais silencioso será o local, ou seja, menos ruído da atividade humana e sísmica. Quanto maior o número de estrelas no orçamento, mais dinheiro está disponível para começar.

Depois disso, o jogador vai entrar no escritório do Investigador Principal (PI), de onde tem controle da parte principal do jogo. Esta é a fase de projeto durante a qual pode-se ajustar os parâmetros do detector para torná-lo mais sensível. A sensibilidade é determinada pela soma de várias contribuições de ruído. Sempre é possível verificar todas as curvas de ruído na tela; isso pode ser aberto a qualquer momento clicando no ícone do gráfico verde:

É possível ajustar as configurações do subsistema enquanto o gráfico das curvas de ruídos estiver aberto e ver como os ruídos mudam quando os parâmetros do detector são alterados. A melhor sensibilidade é alcançada quando o ruído total, que é a soma de todas as outras curvas, é o mais baixo possível em uma ampla faixa de frequência. É possível fechar o gráfico clicando no ícone verde novamente.

A partir do escritório do PI, é possível acessar as áreas de performance de cada um dos subsistemas do detector. Para isso deve-se clicar em cada um dos monitores na mesa do PI. Os seguintes subsistemas estão disponíveis:

• Subsistema de Ambiente, onde é possível experimentar vários valores para a profundidade do detector, sistema de vácuo e resfriamento criogênico.
• Isolamento Vibracional, onde é necessário projetar o sistema de pêndulos para reduzir o ruído tanto quanto possível.
• Subsistema Óptico, onde deve-se experimentar diferentes propriedades do laser e dos espelhos para obter o melhor resultado.

Para voltar ao escritório do PI a qualquer momento, basta clicar no ícone da casa na barra de menu.

Enquanto se está alterando parâmetros e tentando obter a melhor sensibilidade, é importante observar o orçamento restante:

Não é possível pontuar se estiver devendo.

Quanto mais o detector é aprimorado, mais complexo ele se torna. Isso pode dificultar o funcionamento do detector e causar perda ocasional de dados. Assim, o número de detecções é um pouco menor quando se cria um detector muito complexo. É possível ver a complexidade aumentando no 'Complexômetro':

Uma vez que se tenha configurado os subsistemas, é necessário começar o a corrida observacional e ver como o detector funciona. Isso é feito clicando no botão 'Science Run' na mesa do escritório do PI. Uma vez que o detector esteja "travado", em outras palavras, quando todos os sistemas de controle estiverem acionados e funcionando, será possível que ver a qual distância o detector pode medir as ondas gravitacionais. As fontes de ondas gravitacionais que se espera detectar são poucas e distantes entre si. Quanto maior o alcance, mair a chance de detectar as fontes. A pontuação final é adicionada à tabela de recordes.

Aspectos educacionais

Os criadores do Space Time Quest esperam que este possa ser um jogo divertido e competitivo. Além disso, que o jogo ofereça oportunidades educacionais, especialmente quando usado em grupo e com orientação ou usando material on-line complementar. O jogo foi escrito por cientistas que usaram softwares muito semelhantes para ajudar a projetar os verdadeiros detectores de ondas gravitacionais, como LIGO e Virgo. Com o jogo, eles querem dar às pessoas a oportunidade de experimentar esse processo de projetar por conta própria.

Ao jogar o jogo, o usuário deve se familiarizar com a ideia de ruído como parte fundamental da realização de medições. Os jogadores explorarão como componentes de ruído individuais somam um nível de ruído total. Para obter uma pontuação competitiva, eles terão que experimentar várias configurações diferentes de detectores e fazer julgamentos sobre seus méritos relativos com base na curva de sensibilidade.

Além de aprender sobre alguns dos desafios específicos enfrentados pelos cientistas que projetam os interferômetros de ondas gravitacionais reais, os jogadores também aprenderão sobre como gastar um grande orçamento com sabedoria e sobre como fazer trocas entre diferentes parâmetros dos subsistemas do detector.

Código aberto

Uma grande fração dos softwares científicos na comunidade de ondas gravitacionais é escrita em Python, uma linguagem de programação que também é recomendada para ensinar e iniciar a computação científica. O site oficial do jogo dá opções para você acessar o código e navegar por ele de diferentes maneiras.

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Por Márcio Constâncio Jr e Elvis C Ferreira**
**Parte do texto foi adaptado para a língua portuguesa (BR), a partir da página oficial do jogo Space Time Quest.