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Entrevista

Francis Halzen: Na cola dos neutrinos e raios cósmicos

Cientista chefe do observatório IceCube comenta a descoberta recente de partículas de alta energia

Para o físico, a descoberta dos raios cósmicos só foi possível em razão da astronomia multimensageira

Léo Ramos Chaves

Teórico de formação, com atuação na interface entre a física de partículas, a astrofísica e a cosmologia, o belga-americano Francis Halzen, de 74 anos, professor na Universidade de Wisconsin-Madison, nos Estados Unidos, participa há mais de 30 anos de experimentos no polo Sul geográfico, na Antártida, montados para registrar a passagem de neutrinos de alta energia pela Terra. Em 1987, começou a trabalhar na equipe do Amanda, um telescópio de neutrinos de primeira geração, que foi sucedido pelo Observatório de Neutrinos IceCube. Operacional desde 2003, o IceCube é formado por uma rede de 5.160 detectores instalados entre 1,5 e 2,5 quilômetros de profundidade, sob 1 bilhão de toneladas de gelo nos arredores da estação norte-americana Amundsen-Scott.

Como cientista-chefe do observatório, um projeto de US$ 279 milhões, Halzen coordenou o grupo de 300 pesquisadores de 12 países que, em agosto deste ano, fez a maior descoberta do IceCube: a identificação da primeira fonte de neutrinos de alta energia e, por conseguinte, também de raios cósmicos de alta energia, as partículas mais potentes do Universo. A fonte se situava fora da Via Láctea e era um blazar, um tipo específico de galáxia elíptica gigante, com um buraco negro ativo em seu centro, denominado TXS 0506+056, distante cerca de 4 bilhões de anos-luz da Terra. O físico esteve em outubro em um evento promovido pelo Instituto Principia, em São Paulo (ver reportagem), e, nesta entrevista, comenta alguns detalhes do achado e fala dos planos de expansão do IceCube.

Qual a relação entre a produção de neutrinos de alta energia e a presença de raios cósmicos de alta energia?
Não se pode acelerar raios cósmicos perto de buracos negros ou em qualquer lugar do Universo sem produzir neutrinos. Como os raios cósmicos não revelam sua origem [pois são partículas eletricamente carregadas e não viajam em linha reta], somos obrigados a procurar neutrinos no lugar deles. Os neutrinos se movem quase à velocidade da luz, são eletricamente neutros e não são absorvidos pela matéria nem defletidos por campos magnéticos. Então um mapa com a localização de neutrinos de alta energia é também um mapa das fontes de raios cósmicos altamente energéticos. Há tempos sabíamos disso e agora conseguimos determinar a primeira fonte dessas partículas. Nossos dados apontavam a região de origem do neutrino que medimos em setembro de 2017 com erro de 0,1 grau. É uma ótima resolução. Mas, em um catálogo astronômico, há literalmente centenas de milhares de objetos em uma área de 0,1 grau. Sozinhos, não conseguiríamos ter descoberto, dentro dessa região maior, qual era exatamente a fonte do neutrino de alta energia. As medições multimensageiras, como as do satélite Fermi, vieram nos salvar. O Fermi registrou, no mesmo período que nós, uma fonte de raios gama com brilho sete vezes aumentado dentro da área maior que havíamos apontado como sendo a direção de origem do neutrino de alta energia [a astronomia multimensageira alia as observações de radiação eletromagnética de várias energias com a detecção de outras partículas e ondas emitidas pelos corpos celestes]. Mandar essas coordenadas para os astrônomos foi um ato de desespero.

A descoberta do blazar TXS 0506+056 foi um golpe de sorte?
A galáxia que foi identificada como fonte era conhecida, mas ninguém tinha visto algo de especial nela. Mesmo que alguém tivesse me dito que a fonte seria uma galáxia com um buraco supermassivo, ninguém pensaria nessa galáxia especificamente. Olhamos para ela no dia certo, tanto que nem todos os telescópios mediram o aumento exagerado de produção de raios gama nessa galáxia. Alguns mediram, outros, não. Essa fonte em particular produziu neutrinos de alta energia de forma significativa uma vez em 10 anos. E o pico de produção não foi esse evento em 2017, quando o IceCube registrou apenas um neutrino de alta energia. Foi em 2014. Por que não vimos essa produção de quatro anos atrás? Na verdade, vimos. Um estudante de pós-graduação da Universidade de Genebra [Asen Christov], ligado ao IceCube, escreveu sobre esse registro anterior em sua tese. Mas não publicamos nenhum paper sobre esse sinal justamente porque não tínhamos como determinar a fonte de onde vinham os neutrinos. Como disse, nossa resolução para determinar a origem desses neutrinos era de 0,1 grau, uma região do céu onde pode haver de tudo.

Há cerca de 5 mil blazares conhecidos. O senhor acredita que todos eles produzem neutrinos e raios cósmicos de alta energia?
Se 5% ou 10% se comportarem como a fonte que identificamos, podemos explicar todos os neutrinos e raios cósmicos de alta energia. Se não for esse o caso, as coisas se tornam mais complicadas. Não imagino que o céu esteja cheio de outros objetos tão energéticos. Esse é meu palpite. Mas, no fundo, não sabemos.

Então descarta a hipótese de que estrelas supernovas de dentro de nossa galáxia também possam ser fonte dessas partículas?
Na verdade, não. Analisamos dados regularmente de supernovas. Aposto que, mais dia, menos dia, vamos descobrir alguma fonte de neutrinos de supernovas. As supernovas devem funcionar como aceleradores de partículas por um tempo muito curto. Sua produção de energia é de uma a duas ordens menor do que nos blazares. Estamos chegando perto desse tipo de descoberta. Quando fizermos uma ampliação do IceCube, vamos fazer descobertas com muito mais rapidez. Devemos começar a instalar novos sensores em 2022 e, cinco anos mais tarde, tudo deverá estar funcionando. Vamos fazer o upgrade com o IceCube em funcionamento. Não será preciso parar o experimento.

Como isso é possível?
Conhecemos hoje como funciona a óptica do gelo tão bem que podemos aumentar a distância entre os sensores do IceCube sem perda de informação para o experimento. Podemos dobrar a distância dos sensores e colher dados sobre um volume de gelo 10 vezes maior. Dos 5 mil sensores instalados no IceCube, até hoje perdemos só um. Não tínhamos ideia de que tudo funcionaria tão bem a -15 graus centígrados. Os sensores estão em um ambiente estável, onde a temperatura é constante e não há movimentos. É um ambiente muito melhor do que o de experimentos similares com sensores instalados dentro da água.