Como cientistas criaram armadilha de gelo na Antártida para descobrir uma fonte de raios cósmicos

Caçadores da “partícula fantasma”

Por ser tão leve, neutro e pequeno, o neutrino, uma das mais abundantes partículas do Universo, atravessa tudo a todo momento sem ser notado. E aí estava um grande desafio da ciência. Para detectar um neutrino que chegou na Terra vindo de uma galáxia distante, foi necessário construir um experimento espantoso. Os cientistas instalaram 5.160 sensores do tamanho de holofotes de navio em um cubo de gelo de um quilômetro cúbico, enterrado a um quilômetro e meio de profundidade no coração da Antártida.

Como cientistas criaram armadilha de gelo na Antártida para descobrir uma fonte de raios cósmicos.

Como cientistas criaram armadilha de gelo na Antártida para descobrir uma fonte de raios cósmicos.

Em 2013, um neutrino vindo de uma distante galáxia foi detectado no grande cubo de gelo. A caçada de partículas de mais de um século começava a chegar ao fim, explicou o físico americano Francis Halzen, líder das pesquisas no IceCube. Ele esteve em São Paulo em outubro, quando foi apresentado como integrante do Comitê Internacional do Instituto Principia — um centro brasileiro recém-inaugurado de produção e difusão científica.

A busca pela origem dos raios cósmicos

Como cientistas criaram armadilha de gelo na Antártida para descobrir uma fonte de raios cósmicos.

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A história dessa caçada remonta a uma experiência um tanto divertida, realizada em 1912. Os cientistas não sabiam o que fazia com que certos materiais na Terra ganhassem ou perdessem elétrons –a chamada ionização. E ficavam surpresos ao perceberem que o fenômeno ganhava intensidade diferente em locais altos, como no topo da torre Eiffel.

Para desvendar o mistério, o físico austríaco Victor Hess subiu aos céus em um balão levando sensores de radiação. Quanto mais subia, mais forte ficava a radiação captada. A conclusão de Hess foi que existiam partículas ionizantes vindo do espaço. Ele as batizou de raios cósmicos. “Os cientistas têm procurado de onde essas partículas partem há mais de um século”, conta Francis Halzen.

Que tiro foi esse?

Como cientistas criaram armadilha de gelo na Antártida para descobrir uma fonte de raios cósmicos.

Os raios cósmicos são as partículas com as mais altas energias já observadas pelos cientistas. Grande parte é gerada em explosões de estrelas na Via Láctea. Mas aqueles com energias mais altas só podem ser produzidos em eventos cataclísmicos fora da Via Láctea, como explosões de supernovas e choques de galáxias.

Uma chuva de raios cósmicos, composta por prótons, elétrons, neutrinos, raios gama e outras partículas, cai constantemente sobre a Terra, mas nenhum cientista fazia ideia ao certo de onde vinham e o que os disparavam. “A forma que temos para conhecer o Universo é detectando a radiação que chega até nós”, explica Halzen. Os telescópios permitem observar as ondas eletromagnéticas que alcançam a Terra de diferentes formas — em luz visível, infravermelho, raios-x, ondas de rádio, etc.

“Mas os raios cósmicos que nos atingem chegam na forma de partículas”, completa o físico americano.

Entram aí algumas dificuldades: primeiro, qual instrumento utilizar para visualizar esses raios, uma vez que os telescópios não os captam. Outro problema é qual partícula observar. Prótons e elétrons são desviados de um lado para o outro, o que dificulta rastrear a origem.

Para encontrar a fonte dos raios cósmicos, portanto, seria necessário achar algo que viajasse até a Terra em linha reta. O pequeníssimo e invisível neutrino, quem diria, era a solução.

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Caçadores da “partícula fantasma”

Caçadores da "partícula fantasma"

Caçadores da “partícula fantasma”

O apelido “partícula fantasma” não é exagero. Neutrinos são levíssimos — algumas centenas de vezes mais leves que o elétron –, não têm carga elétrica e quase não possuem massa. De tão pequenos, atravessam astros e campos magnéticos sem se desviar, interagindo muito debilmente com a matéria. Bilhões dessas “partículas fantasmas” perpassam cada centímetro quadrado da Terra (e de nossos corpos) a cada segundo, vindas do espaço.

Os neutrinos existem em abundância no Universo conhecido, perdendo em número apenas para o fóton, a partícula de luz. Além de comporem os raios cósmicos, também são produzidos no Sol e surgem em reatores nucleares e aceleradores de partículas na Terra. A diferença é que os neutrinos dos raios cósmicos possuem energias altíssimas.

“A busca [por neutrinos] passou a fazer parte de uma das maiores questões da física e da astronomia: qual é a origem dos raios cósmicos?”, disse Halzen. Como viajam de suas fontes sem serem bloqueados e sem desvios, eram a pista certeira que os cientistas queriam. Mas como observar uma partícula praticamente invisível?

Diferentes experimentos já foram realizados para tentar flagrar neutrinos. Um deles, o Super-Kamiokande, construído no Japão em 1983, consiste numa piscina cilíndrica com 50 mil toneladas de água rodeada por 11.200 sensores de luz. Outro experimento feito na década de 1990 demonstrou que o gelo extremamente claro da Antártida podia interagir com neutrinos.

Essas armadilhas de neutrinos precisam ser grandes o suficiente para aumentar a probabilidade de captura de uma entre bilhões de “partículas fantasmas”. O neutrino não é observado diretamente, mas a partir de partículas secundárias eletricamente carregadas que são produzidas quando ele atravessa a água ou o gelo. “O IceCube foi construído para fazer exatamente isso”, conta Halzen.

A armadilha na Antártida

Como cientistas criaram armadilha de gelo na Antártida para descobrir uma fonte de raios cósmicos.

Caçadores da “partícula fantasma”

Não foi fácil construir a engenhoca. O frio do polo Sul proíbe trabalhar no inverno, quando as temperaturas chegam a -80°C. Assim, foram necessários sete verões, entre 2004 e 2010, para perfurar e instrumentalizar 86 poços que chegavam a 2.450 metros de profundidade — ponto em que ficam os sensores que estão no pé do grande cubo de gelo.

Para ganhar tempo e aproveitar bem a luz do Sol que nunca se põe nessa época, os mais de 300 engenheiros, técnicos e cientistas se revezavam ao longo de 24 horas, todos os dias. Os sensores precisavam ser instalados rapidamente nos buracos de gelo derretido, antes que a água voltasse a congelar.

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A construção do IceCube contou com a colaboração de mais de 40 instituições de pesquisa de todo o mundo e o investimento de 279 milhões de dólares (cerca de R$ 1 bilhão), a maior parte feita pela Fundação Nacional de Ciências dos EUA. Após 2,1 milhões de quilos de carga levadas para a Antártida, as obras do Ice Cube chegaram ao fim, “concluídas no prazo, dentro do orçamento e excedendo significativamente as especificações de desempenho”, como diz relatório do observatório.

Era importante saber exatamente o que havia no gelo. Qualquer interferência no momento da detecção de um neutrino precisaria ser compreendida. Halzen explica que supercomputadores radiografaram e mapearam cada grão de poeira ali congelado. Calibrada a armadilha, bastava esperar a presa aparecer.

A montagem no IceCube

Laboratório custou 279 milhões de dólares (R$ 1 bilhão) e foi finalizado sem atrasos

Flagra e delação

Flagra e delação.

Flagra e delação.

Em 2013, os caçadores de neutrinos liderados por Halzen observaram uma extraordinária luminosidade azul dentro do cubo gelado. Tratava-se do efeito chamado Cherenkov, que ocorre quando uma partícula carregada eletricamente atravessa um meio como o gelo em velocidade superior à da luz nesse meio (no gelo, a luz pode se deslocar em velocidade mais baixa e inferior a de outros elementos).

Essa radiação eletromagnética era fruto de múons produzidos pela interação entre o gelo e uma outra partícula que havia adentrado o cubo. Eureca! Um neutrino de alta energia passava por ali. Com cerca de 300 teraelétrons-volts (TeV), quase 50 vezes a energia de partículas aceleradas no LHC (o maior acelerador de partículas do mundo), era certo que vinha de fora da Via Láctea.

Os sensores do IceCube registraram todos os dados das ondas de luz geradas. E os computadores do laboratório traçaram as coordenadas da trajetória da “partícula fantasma” dentro do cubo. O que o neutrino acabara de contar aos cientistas era a direção exata de sua trajetória de bilhões de anos-luz até a Terra. Mas nada mais do que isso. “Você vê os neutrinos cósmicos vindo do céu, mas ainda não sabe de onde estão vindo”, conta Halzen sobre a alegria misturada com frustração do momento da descoberta.

Como desvendar o mistério? Os cientistas sabem que o neutrino viaja praticamente na velocidade da luz. E se, com a direção do neutrino em mãos, eles olhassem para o céu e tentassem localizar alguma luz no ponto de onde ele veio? É elementar, diria um Sherlock Holmes da ciência.

Nasa

Operação mundial e fim do mistério

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Operação mundial e fim do mistério…

Existem diversos telescópios e detectores de ondas eletromagnéticas espalhados pela Terra e em órbita no espaço. Em 22 de setembro de 2017, no exato momento em que detectou um novo neutrino de alta energia, o IceCube emitiu um alerta para a comunidade astronômica internacional. Mais de 20 observatórios voltaram imediatamente suas lentes e sensores para o céu na direção que o neutrino do IceCube apontava.

A ideia era encontrar qualquer sinal que estivesse partindo daquela fonte. As observações começaram a ser feitas simultaneamente por times que totalizavam mais de mil cientistas de diferentes países. Até que um primeiro sinal foi identificado pelo telescópio espacial Fermi, da Nasa: um forte clarão em forma de raios gama, ao lado do ombro esquerdo da constelação Orion no céu noturno.

Tratava-se do blazar TXS 0506+056, localizada a 4 bilhões de anos-luz da Terra. Esse objeto celestial concentra grande quantidade de energia e está associado a um buraco negro. O Fermi sabia de sua existência há 10 anos, mas nunca tinha visto um brilho tão intenso vindo de sua direção. Depois do Fermi, o observatório Magic, situado nas Ilhas Canárias, também detectou o blazar. E outros observatórios viram o clarão. Bingo, era aquela a fonte.

Para Halzen, a operação conjunta marcou o início de uma nova era na astronomia. “A capacidade de fazer com que telescópios espalhados pelo globo realizem uma descoberta em cooperação com um detector de neutrinos é um marco do que os cientistas estão chamando de astronomia de múltiplas mensagens”, diz o cientista.

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Operação mundial e fim do mistério…

Hoje, diversos neutrinos são detectados no Ice Cube a todo momento, e o laboratório tornou-se um importante centro de estudos de ponta. Ali são feitas pesquisas em astrofísica, glaciologia, tomografia da Terra, física quântica e partículas exóticas, dentre outras áreas. Há a expectativa de que descobertas sobre a matéria escura possam vir de lá.

Quanto aos raios cósmicos e os neutrinos, Halzen ressalta que eles continuam atingindo a Terra a todo instante, sem que saibamos de onde partem todas as gotas dessas tempestades. O que há de surpreendente então na saga da caçada de neutrinos?

Como cientistas criaram armadilha de gelo na Antártida para descobrir uma fonte de raios cósmicos.

A surpresa é que nós conseguimos solucionar o problema de mais de um século, e de uma maneira totalmente inesperada. Nós sabemos agora qual é uma das fontes dos raios cósmicos

Francis Halzen, cientista líder do IceCube

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Francis Halzen, cientista líder do IceCube.

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