A Real Academia Sueca de Ciências anunciou a outorga do Prêmio Nobel de Física de 2026 para o belga Francis Halzen, professor da Universidade de Wisconsin–Madison, nos Estados Unidos.
O prêmio reconhece Halzen por suas contribuições decisivas na criação do observatório de neutrinos IceCube. Também concede a láurea pela descoberta de neutrinos astrofísicos de alta energia – fato que pode ser traduzido como a abertura de uma nova janela para a observação do Universo.
Mas o que são os neutrinos?
Os neutrinos são as partículas mais misteriosas da física. Apesar de permearem todo o cosmos em grande número, com trilhões deles atravessando o nosso corpo a cada segundo, eles interagem tão pouco com a matéria que percorrem grandes distâncias do Universo sem deixar rastro.
Por isso, popularmente, nos referimos a elas como “partículas fantasmas”. São partículas subatômicas sem carga elétrica e com uma massa minúscula, e produzidas, por exemplo, no interior do Sol e na nossa própria atmosfera.
Os neutrinos de alta energia observados pelo IceCube, em particular, têm origem nos eventos mais extremos do cosmos, como nos processos que levam à explosão de estrelas, ou que se desenvolvem ao redor de buracos negros.
Do ponto de vista da Astronomia, os neutrinos são considerados mensageiros cósmicos muito especiais. Enquanto a luz pode ser absorvida pelo gás e a poeira presente no cosmos, os neutrinos atravessam facilmente esses obstáculos, trazendo informações de regiões do Universo que de outro modo não seriam acessíveis.
Um outro aspecto importante é que os neutrinos, por não terem carga elétrica, propagam-se sem terem suas trajetórias desviadas pela interação com campos magnéticos.
Deste modo, diferentemente de outras partículas, como os prótons e elétrons – que também carregam informação sobre alguns destes fenômenos astrofísicos extremos, mas são desviados pelo campo magnético da Galáxia, perdendo sua direcionalidade –, os neutrinos apontam diretamente para as suas regiões de origem.
A contribuição de Halzen foi fundamental para o estabelecimento de um novo campo da astronomia, a astronomia de neutrinos. Esse campo é também chamado de astronomia com multi-mensageiros, por introduzir um novo mensageiro para complementar os estudos do cosmos que os astrônomos já faziam com a radiação eletromagnética.
Um novo campo – mas repleto de desafios
O maior desafio para se fazer astronomia com neutrinos, porém, é detectá-los.
Do mesmo modo que um neutrino pode nos trazer informação direta de locais distantes e profundos do cosmos por não ser absorvido pela matéria ali presente, ele pode facilmente atravessar um detector sem ser notado. Para aumentar a chance de capturar um sinal de neutrinos, portanto, é preciso construir um detector gigantesco.
Com base neste desafio, no fim dos anos 1980, Halzen ajudou a desenvolver uma ideia ousada: a de usar o gelo altamente transparente da Antártida como um gigantesco telescópio.
A ideia seria instalar em regiões profundas e escuras do gelo Antártico sensores capazes de detectar os fracos sinais de luz resultantes da interação dos neutrinos com o gelo, e esperar até que essas raras interações ocorressem.
O resultado foi o observatório IceCube, construído no Polo Sul. Muito diferente de um telescópio tradicional, ele é formado por 5.160 sensores de luz distribuídos por 86 cabos subterrâneos enterrados entre 1,5 e 2,5 quilômetros de profundidade. Juntos, eles ocupam um volume de cerca de um quilômetro cúbico de gelo, e funcionam como uma câmera escondida no escuro.
Como os sensores do IceCube funcionam
Quando um neutrino sofre uma das raras interações com os átomos de gelo, essa colisão produz uma partícula secundária eletricamente carregada, um múon.
Devido à grande energia do neutrino que a originou, esse múon se move com uma velocidade superior à da própria luz no gelo - não no vácuo, que é a velocidade limite imposta pela relatividade de Einstein a qualquer objeto no Universo - gerando como resultado um clarão chamado de luz Cherenkov, que os detectores de luz do IceCube conseguem detectar.
Como são muitos, e estão imersos em um ambiente perfeitamente transparente e escuro, os sensores do IceCube registram não apenas o tempo e a intensidade da luz Cherenkov produzida, mas também o rastro deixado pela passagem do múon pelo volume de gelo.
Assim, os cientistas conseguem reconstruir a direção de onde chegou, e estimar a energia do neutrino, permitindo-nos compor um mapa do céu, só que com neutrinos.
O IceCube foi construído nos verões entre os anos de 2004 e 2010. A construção foi feita por meio de um cuidadoso processo pelo qual o gelo era perfurado com água quente e os sensores inseridos por cabos até as regiões profundas onde depois ficariam fixados quando o gelo re-congelasse.
Em poucos anos de operação, já em 2013, a Colaboração IceCube registrou a detecção de 28 neutrinos de energia muito alta, cuja energia não era compatível com os processos capazes de gerar neutrinos na atmosfera, significando que sua origem era necessariamente astrofísica.
Inaugurou-se, assim, a astronomia com neutrinos, os quais se tornaram então um novo mensageiro cósmico.
Esse novo modo de fazer astronomia deu um passo adiante em 2017, quando o IceCube registrou um neutrino extremamente energético vindo da mesma direção de uma galáxia distante chamada TXS 0506+056.
No momento em que o neutrino foi observado, a Galáxia estava emitindo uma intensa rajada de raios gama.
A coincidência entre os dois eventos permitiu ligar, pela primeira vez, um dos neutrinos observados pelo IceCube à sua provável fonte de origem, revelando informações antes inacessíveis sobre seus processos internos.
Novamente, em 2022, o IceCube encontrou evidências de neutrinos vindos de uma outra galáxia com grande atividade energética, NGC 1068. Nesta, o centro abriga um buraco negro supermassivo obscurecido por gás e poeira. E no ano seguinte, em 2023, produziu a primeira imagem da Via Láctea feita com neutrinos.
Todos estes resultados consolidam a Astronomia com Multi-Mensageiros como um novo modo de se estudar os fenômenos astrofísicos de altas-energias.
Um modo onde cada um dos mensageiros hoje acessíveis à observação astronômica contam uma parte da história e complementam a nossa visão do cosmos.
Uma nova área de estudo – e um importante trabalho conjunto
É verdade que a astronomia com neutrinos ainda é uma área jovem, e a maior parte dos neutrinos cósmicos detectados não foi associada a uma fonte específica.
Os sinais são raros, o sinal de fundo dos neutrinos atmosféricos é grande e impõe importantes limitações. Reconstruir a direção dessas partículas exige análises complexas e por vezes ainda imprecisas.
No momento de uma premiação tão importante como o Nobel, vale lembrar que Halzen não fez isso sozinho. Hoje, o IceCube reúne cerca de 450 cientistas, engenheiros e especialistas em computação de 58 instituições e 14 países.
O observatório IceCube acaba de receber novos sensores, e o IceCube-Gen2, ainda em fase de construção, terá um volume instrumentado oito vezes maior que o original, aumentando sua capacidade de capturar esses mensageiros cósmicos raros, e descobrir e estudar os grandes aceleradores de partículas do cosmos.
E como fica o Brasil?
Apesar de não ser um país membro da colaboração IceCube, o Brasil tem um importante papel a jogar na astrofísica com multi-mensageiros. Os projetos do Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO), e do Southern Wide-Field Gamma-ray Observatory (SWGO), ambos com importante participação nacional, serão observatórios de raios-gama capazes de trabalhar em estreita sinergia com o IceCube para revelar, e estudar em detalhe, as fontes dos neutrinos astrofísicos de alta energia.
O SWGO, em particular, está prestes a iniciar sua construção nos Andes Chilenos, com importante financiamento do Fundo Nacional para o Desenvolvimento Científico e Tecnológico (FNDCT), por meio da Finep.
Com liderança internacional do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), um instituto de pesquisa do Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI) localizado no Rio de Janeiro, o SWGO será o primeiro observatório deste tipo a observar o céu do Hemisfério Sul, abrindo mais uma janela da astronomia.
Será uma nova oportunidade de ajudar experimentos como o IceCube a desvendar o já secular mistério dos grandes aceleradores de partículas do Universo.
Ulisses Barres de Almeida recebe financiamento da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro (FAPERJ), do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), e da Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP).