Nobel de Física 2026 e neutrinos
ONobel de Física deste ano reconhece o nascimento de uma nova forma de olhar o Universo: a astronomia de neutrinos. Francis Halzen é o físico que, durante mais de 30 anos, insistiu numa ideia que parecia impossível: transformar um quilômetro cúbico de gelo da Antártida num telescópio.
Até há pouco tempo, tudo o que sabíamos do céu vinha da luz, em todas as suas formas, do rádio aos raios gama, e, desde 2015, das ondas gravitacionais. O IceCube abriu uma terceira janela, com partículas que atravessam o Universo inteiro sem serem desviadas nem absorvidas. É como se, depois de séculos observando o céu apenas com os olhos, tivéssemos ganho um novo sentido.
Para mim, este prêmio tem um sabor especial. Boa parte do que meu grupo no IAG-USP faz há mais de uma década é justamente tentar responder à pergunta que o IceCube colocou na mesa: de onde vêm esses neutrinos?
Quem é Francis Halzen e o que é o IceCube
Francis Halzen é um físico teórico belga, nascido em 1944, que fez carreira na Universidade de Wisconsin, em Madison, nos Estados Unidos. Curiosamente, ele não é um experimental: começou como teórico de partículas, calculando como neutrinos de altíssima energia interagem com a matéria. Foi dessa teoria que nasceu a ideia prática.
No final dos anos 1980, ele e colegas perceberam que, para capturar neutrinos vindos do espaço, seria preciso um detector gigantesco, de um quilômetro cúbico, e que nenhum tanque construído pelo homem teria esse tamanho. A solução foi usar um volume que a natureza já oferecia: o gelo profundo e transparente do Polo Sul. O projeto piloto, Amanda, funcionou nos anos 1990. O IceCube, seu sucessor, foi concluído em 2010.
O IceCube é um arranjo de 86 cabos verticais perfurados no gelo, entre 1,5 e 2,5 km de profundidade, com mais de 5 mil sensores de luz (e sofreu um upgrade recente com cinco novos cabos e mais de 600 sensores). Quando um neutrino raro colide com um núcleo no gelo, produz uma partícula carregada que emite um lampejo azulado, a radiação Cherenkov. Os sensores registram esse lampejo e, a partir do seu padrão, reconstruímos a energia e a direção de onde o neutrino veio. É um telescópio que olha para baixo, através da Terra, usando o próprio planeta como filtro.
Halzen foi o investigador principal do IceCube desde o início e o seu grande articulador científico e político, numa colaboração internacional que hoje reúne cerca de 450 pesquisadores em 58 instituições de 14 países.
Neutrinos: os mensageiros mais discretos do Universo
O neutrino é a partícula mais esquiva que conhecemos. Não tem carga elétrica, tem massa minúscula e quase não interage com a matéria. Neste exato momento, trilhões de neutrinos vindos do Sol atravessam o corpo de cada um de nós por segundo, e não sentimos nada. Um neutrino poderia cruzar um ano-luz de chumbo sem ser parado.
Essa timidez é um problema e uma bênção. É um problema porque detectá-los exige volumes enormes, daí o quilômetro cúbico de gelo. É uma bênção porque, justamente por não interagirem, eles escapam de regiões de onde a luz não consegue sair: o interior denso de uma galáxia ativa, as vizinhanças de um buraco negro, o coração de uma explosão estelar. E, por não terem carga, não são desviados pelos campos magnéticos do espaço: apontam diretamente para a fonte.
Isso os distingue dos raios cósmicos, que são prótons e núcleos de altíssima energia que chegam à Terra desde há mais de um século sabemos existir, mas cujas fontes seguem um mistério, porque os campos magnéticos da Galáxia embaralham suas trajetórias. Neutrinos de alta energia nascem exatamente onde raios cósmicos colidem com gás ou com luz. Encontrar uma fonte de neutrinos é, portanto, encontrar uma fábrica de raios cósmicos.
Os grandes marcos do IceCube
Em 2013, o IceCube anunciou a primeira detecção de neutrinos astrofísicos de alta energia, dois eventos apelidados de Bert e Ernie, com energias acima de 1 PeV, quase cem vezes mais do que o LHC consegue produzir. Nos anos seguintes ficou claro que existe um fluxo difuso desses neutrinos vindo de todas as direções do céu. Foi o nascimento da astronomia de neutrinos, e a revista Physics World a elegeu descoberta do ano.
Em setembro de 2017, um neutrino de cerca de 290 TeV chegou da direção do blazar TXS 0506+056, uma galáxia ativa a quatro bilhões de anos-luz, que no mesmo momento estava em erupção em raios gama, observada pelo Fermi e pelo Magic. Foi a primeira vez que uma fonte extragaláctica de neutrinos foi identificada, e um exemplo de manual da astronomia multimensageira.
Em 2022, após dez anos de dados, o IceCube encontrou um excesso de neutrinos vindo de NGC 1068, uma galáxia Seyfert próxima, a 47 milhões de anos-luz. O interessante é que NGC 1068 não brilha em raios gama de alta energia: os neutrinos vêm de uma região tão densa, perto do buraco negro central, que a luz fica aprisionada e só os neutrinos escapam.
Esses resultados são muito importantes para o nosso trabalho, como vou comentar.
Em 2023, o IceCube mapeou pela primeira vez a nossa própria Galáxia em neutrinos, mostrando o brilho do plano da Via Láctea. E, em 2025, o telescópio europeu KM3NeT, no Mediterrâneo, registrou o neutrino mais energético já visto, com cerca de 220 PeV, confirmando que o campo está apenas no começo.
A pergunta em aberto: de onde vêm os neutrinos?
Apesar desses sucessos, a maior parte do fluxo de neutrinos que o IceCube vê continua sem explicação. As poucas fontes identificadas, como TXS 0506+056 e NGC 1068, respondem por uma fração pequena do total. Os blazares brilhantes, que durante anos foram os candidatos favoritos, hoje sabemos contribuir com no máximo uns 10 a 20 por cento. O resto precisa vir de algum lugar.
É aí que entra o trabalho dos teóricos. A pergunta é: que objetos do Universo são capazes de acelerar prótons a energias enormes e, ao mesmo tempo, oferecer gás ou radiação suficientes para que esses prótons colidam e produzam neutrinos? E, igualmente importante, quais mecanismos físicos fazem essa aceleração?
No meu grupo, no IAG-USP, investigamos duas classes de fontes que respondem a essas perguntas de maneiras muito diferentes: por um lado, as regiões compactas em torno de buracos negros, no centro de galáxias ativas; por outro, os maiores objetos ligados pela gravidade que existem, os aglomerados de galáxias.
Nossa contribuição 1: neutrinos do coração das galáxias ativas
A primeira linha do nosso trabalho olha para as vizinhanças imediatas de buracos negros supermassivos. Quase toda galáxia grande tem um no centro, e, quando ele está se alimentando de gás, forma-se ao redor um disco de matéria muito quente e magnetizada, envolto por uma espécie de atmosfera, a corona.
A nossa proposta, desenvolvida a partir de 2005 e, desde então, em uma série de trabalhos que se seguiram, é que nessa região as linhas do campo magnético se rompem e se reconectam de forma violenta, num processo chamado reconexão magnética, o mesmo que produz as explosões solares, só que em escala muito maior. Mostramos, com teoria e simulações numéricas, que a reconexão é um acelerador de partículas extremamente eficiente, capaz de levar prótons a energias altíssimas bem junto do buraco negro.
Em 2016, com o meu então aluno Behrouz Khiali, calculamos quantos neutrinos esse mecanismo produziria no núcleo de galáxias ativas de baixa luminosidade, que são as mais comuns no Universo. O resultado foi que a soma dessas fontes modestas, mas muitíssimo numerosas, poderia explicar uma parte substancial do fluxo difuso de neutrinos do IceCube. Na época, essa ideia ia contra a corrente, que apostava nos blazares.
A detecção de NGC 1068 em 2022 veio exatamente nessa direção: uma galáxia ativa que não é um blazar, cujos neutrinos nascem numa região compacta, opaca aos raios gama, próxima do buraco negro. No trabalho mais recente do grupo, aplicamos o nosso modelo de aceleração por reconexão a esse tipo de fonte e mostramos que ele reproduz o fluxo de neutrinos observado e, ao mesmo tempo, a ausência de raios gama de alta energia, que é justamente a assinatura que o IceCube viu.
Também voltamos ao caso que inaugurou a astronomia multimensageira, o blazar TXS 0506+056. Aquele neutrino de 2017 sempre foi um quebra-cabeça: os modelos convencionais, em que os elétrons do jato produzem a luz e os prótons produzem os neutrinos numa mesma região, têm dificuldade em explicar ao mesmo tempo o neutrino e o espectro de raios X e raios gama observado. Mostramos que a reconexão magnética, acelerando prótons no jato magnetizado turbulento próxima do buraco negro na base do jato, consegue reproduzir simultaneamente o neutrino do IceCube e a emissão eletromagnética da fonte.
Nossa contribuição 2: aglomerados de galáxias como reservatórios cósmicos
A segunda linha vai para o outro extremo de escala. Aglomerados de galáxias são as maiores estruturas ligadas pela gravidade: centenas ou milhares de galáxias mergulhadas num gás quentíssimo e magnetizado, que se estende por milhões de anos-luz. Eles têm uma propriedade única: os raios cósmicos produzidos lá dentro, por galáxias ativas, choques e fusões de aglomerados, ficam aprisionados pelos campos magnéticos por um tempo comparável à idade do Universo.
Se os raios cósmicos ficam presos, eles acabam colidindo com o gás do aglomerado e produzindo neutrinos e raios gama. Com o meu então aluno Saqib Hussain, em colaboração com Rafael Alves Batista e Klaus Dolag, fizemos o cálculo mais completo até então: em vez de modelos simplificados, propagamos os raios cósmicos dentro de simulações cosmológicas tridimensionais de aglomerados reais, com campos magnéticos e distribuição de gás realistas, e somamos a contribuição de todos os aglomerados ao longo da história do Universo.
O primeiro resultado mostrou que os aglomerados podem responder por uma fração relevante do fluxo difuso de neutrinos do IceCube nas energias mais altas, acima de uns 100 TeV. O segundo fez o mesmo para os raios gama e mostrou que os aglomerados contribuem de forma significativa para o fundo difuso de raios gama medido pelo satélite Fermi, sem violar os limites observacionais. O terceiro refinou essas previsões baseados em novas análises dos dados do IceCube pela própria colaboração.
A mensagem é que o céu de neutrinos provavelmente não tem um único dono. Fontes compactas como NGC 1068 dominam numa faixa de energia; estruturas gigantes como os aglomerados contribuem em outra. A próxima geração de telescópios vai poder separar essas componentes.
O futuro e o papel do Brasil
O IceCube está sendo ampliado. O IceCube-Gen2 terá cerca de oito quilômetros cúbicos de gelo instrumentado e deverá ver dez vezes mais neutrinos. No Mediterrâneo, o KM3NeT está em construção; no lago Baikal, na Sibéria, o Baikal-GVD já opera; no Pacífico, o P-ONE está sendo planejado. Em dez anos teremos uma rede global de telescópios de neutrinos cobrindo todo o céu.
Ao mesmo tempo, o Observatório Pierre Auger, na Argentina, do qual o Brasil participa desde o início, e o futuro Cherenkov Telescope Array (CTAO) e o seu precursor, o ASTRI Mini-Array já em operação, com forte participação brasileira, especialmente do IAG, vão observar os raios cósmicos e os raios gama das mesmas fontes, em forte sinergia. É nessa combinação de mensageiros que os modelos teóricos são testados de verdade.
O Brasil tem uma comunidade pequena, mas muito ativa, nessa área. No IAG-USP formamos vários dos jovens pesquisadores que hoje trabalham com raios gama, neutrinos e raios cósmicos aqui e no exterior, e nossos modelos são usados pelas colaborações internacionais para interpretar os dados. Este Nobel reconhece o experimento, mas também valoriza toda uma área da astrofísica que tenta entender a física extrema por trás desses sinais – a Astrofísica de Altas Energias.
Se eu tivesse que resumir numa frase: Halzen nos deu um novo sentido para perceber o Universo, e agora o trabalho é aprender a interpretar o que ele está nos dizendo.
(*) Elisabete Gouveia Dal Pino é professora do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas (IAG) da USP.
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