Projeto do ano de 2025 da Emerge: a máquina do fundo do mar que capturou um fantasma de energia ultra-alta

O Mar Mediterrâneo, geralmente celebrado pelas suas costas ensolaradas e superfície azul, esconde um segredo na sua escuridão esmagadora.

Três quilómetros e meio abaixo das ondas ao largo da costa da Sicília, a água é negra como breu, quase gelada e sob pressão intensa o suficiente para amassar um submarino como se fosse uma lata de cerveja vazia. É um lugar de profundo silêncio, imperturbável pelos assuntos caóticos do mundo da superfície. No entanto, neste abismo, algo está observando.

Milhares de esferas de vidro, penduradas como pérolas enormes em cabos verticais que se erguem do fundo do mar, pendem na escuridão. Eles estão ouvindo o universo sussurrar seus segredos.

Numa terça-feira tranquila de fevereiro de 2023, o silêncio foi quebrado por um flash fantasma de luz azul que durou apenas nanossegundos. Foi um sinal que viajou bilhões de anos-luz, passando por galáxias, estrelas e toda a massa da Terra antes de terminar sua jornada aqui, nos sensores de uma máquina que ainda nem estava totalmente construída.

Esse flash foi a pegada de um neutrino carregando 220 Peta-elétron-volts (PeV) de energia, um número tão grande que beira o absurdo para uma única partícula subatômica. Foi o neutrino de maior energia já detectado pela humanidade, um mensageiro de um cataclismo cósmico de poder insondável.

Mas a verdadeira maravilha não foi apenas a partícula; foi a máquina que o pegou.

Por que isso importa

Os editores de Descriptografarde Emergir selecionaram a Iniciativa KM3NeT (Telescópio de Neutrinos de Quilômetro Cúbico) como o Projeto do Ano de 2025, porque representa uma mudança fundamental em nossa relação com o cosmos.

Embora a astronomia tradicional tenha passado séculos a refinar a forma como olhamos para o universo, o KM3NeT permite-nos sentir o seu núcleo, detectando partículas que passam através da matéria como se ela não existisse. Escolhemos esta iniciativa não apenas pela confirmação histórica do evento 220 PeV publicado este ano, mas pela audácia de sua engenharia.

Ao transformar o abismo do Mediterrâneo no maior laboratório de física de alta energia do mundo, o KM3NeT provou que podemos construir instrumentos de precisão nos ambientes mais hostis da Terra para responder às questões mais evasivas da galáxia. É um triunfo da cooperação internacional, resiliência e visão, proporcionando ciência que muda o mundo antes mesmo de a construção estar concluída.

O paradoxo da partícula fantasma

Por que esta máquina é necessária? Primeiro, é preciso compreender o paradoxo do neutrino. Muitas vezes chamados de “partículas fantasmas”, os neutrinos são as segundas partículas mais abundantes no universo, superadas apenas pelos fótons de luz.

São produzidos por reacções nucleares – no coração do nosso Sol, na explosão de estrelas moribundas e nos violentos jactos de buracos negros. Trilhões deles estão passando pelo seu corpo agora. Você não pode senti-los, nem eles sentem você.

Os neutrinos quase não têm massa nem carga elétrica, o que significa que não interagem com campos eletromagnéticos. Enquanto um fóton de luz pode ser interrompido por uma folha de papel ou por uma parede, um neutrino pode passar através de um bloco de chumbo com a espessura de um ano-luz sem diminuir a velocidade. Isso os torna os mensageiros cósmicos perfeitos.

Ao contrário da luz, que pode ser bloqueada por nuvens de poeira, ou de partículas carregadas, que são curvadas por campos magnéticos, os neutrinos viajam em linhas retas desde a sua fonte até nós. Se conseguirmos capturá-los, poderemos apontar diretamente para os motores do universo – supernovas, blazares e estrelas de nêutrons em colisão – e ver exatamente o que está acontecendo dentro deles.

Mas a sua maior força é também a sua maior falha: como não interagem com nada, são quase impossíveis de capturar. Para detectar até mesmo um punhado deles, você precisa de um alvo de tamanho imenso – uma “rede” tão grande que, pelas leis da probabilidade, um neutrino acabará colidindo com um átomo dentro dela. Você também precisa de escuridão total para ver a tênue faísca que a colisão produz. Construir um detector desse tamanho em terra é proibitivamente caro e tecnicamente impossível.

Assim, os físicos do KM3NeT decidiram pegar emprestado um detector que a natureza já havia construído: o oceano.

A catedral subaquática

A premissa do KM3NeT é elegante na sua simplicidade, mas brutal na sua execução. Quando um neutrino de alta energia finalmente colide com um núcleo atômico na água, ele oblitera o núcleo e cria uma chuva de partículas carregadas secundárias, como os múons.

Essas partículas disparam pela água mais rápido do que a luz pode viajar no mesmo meio (embora ainda mais lentas do que a velocidade da luz no vácuo). Esta quebra da “barreira de luz” cria uma onda de choque de luz azul conhecida como radiação Cherenkov – essencialmente o equivalente óptico de um estrondo sónico.

A infraestrutura KM3NeT foi projetada para capturar esse brilho azul fugaz. O “telescópio” não utiliza lentes nem espelhos. Em vez disso, consiste em centenas de linhas verticais, ou “cordas”, ancoradas no fundo do mar e mantidas esticadas por bóias submersas. Anexados a essas cordas estão os Módulos Ópticos Digitais (DOMs) – esferas de vidro resistentes à pressão com cerca de 17 polegadas de diâmetro.

“A coisa maravilhosa sobre um telescópio de neutrinos é que não precisamos apontá-lo explicitamente, ele captará neutrinos de todas as direções; o apontamento é feito por software”, disse Paul DeJong, falando em nome do projeto. Descriptografar.

DeJong, professor da Universidade de Amsterdã e cientista sênior do Nikhef (Instituto Nacional Holandês de Física Subatômica), é conhecido por seus papéis de liderança em colaborações importantes como o experimento ATLAS do CERN (descoberta do bóson de Higgs). Ele também é o porta-voz designado do projeto do telescópio de neutrinos KM3NeT.

Dentro de cada esfera há uma maravilha da miniaturização. Enquanto os detectores de neutrinos mais antigos usavam sensores de luz grandes e únicos, os DOMs do KM3NeT contêm 31 tubos fotomultiplicadores menores dispostos como o olho composto de uma mosca. Este design multi-olho proporciona-lhes uma sensibilidade direcional excepcional e permite-lhes distinguir entre um sinal genuíno de neutrinos e o “ruído” de fundo de criaturas marinhas bioluminescentes ou sais de potássio radioativos naturalmente presentes na água do mar.

A escala é difícil de visualizar. O detector não é um único objeto sólido, mas uma floresta esparsa de sensores espalhados por um quilômetro cúbico de água. É uma catedral construída apenas com cabos, vidro e o próprio mar – mais alta que o Burj Khalifa, mas completamente invisível da superfície.

Uma história de dois telescópios

A iniciativa consiste na verdade em dois detectores separados, cada um sintonizado em uma frequência diferente da orquestra cósmica.

O primeiro, localizado na costa de Toulon, na França, é chamado ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss). Aqui, os sensores estão bem juntos. O trabalho do ORCA é capturar neutrinos de baixa energia que viajaram pela Terra vindos do outro lado.

Ao estudar como estes neutrinos mudam de “sabores” – um truque de mudança de forma da mecânica quântica – à medida que passam pelo manto do nosso planeta, o ORCA pretende resolver o problema da “hierarquia de massa”: determinar qual dos três tipos de neutrinos é o mais pesado. Isto parece abstrato, mas a resposta é a chave para compreender por que o universo é feito de matéria e não de antimatéria.

O segundo detector, e o local da recente descoberta recorde, é o ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss). Localizada nas águas mais profundas de Capo Passero, Itália, a ARCA é o gigante. Seus sensores são amplamente espaçados para monitorar um grande volume de água. ARCA é o verdadeiro “telescópio”, projetado para capturar monstros de energia ultra-alta que chegam do espaço profundo.

A descoberta de 220 PeV

A comunidade científica ficou eletrizada no início deste ano, quando a colaboração KM3NeT publicou a sua análise do evento agora conhecido como KM3-230213A. Para colocar 220 PeV em perspectiva, neutrinos típicos do Sol chegam com energias na faixa dos Megaelétron-volts (MeV). Um PeV é um bilhão de vezes mais energético que isso. A partícula detectada pelo ARCA carregava tanta energia cinética quanto uma bola de tênis servida profissionalmente, toda compactada em um ponto subatômico menor que um átomo.

Esta detecção confirmou o que os teóricos já suspeitavam há muito tempo, mas não conseguiram provar: que o universo contém aceleradores naturais de partículas muito mais poderosos do que o Grande Colisor de Hádrons. Enquanto o Collider funciona com quilômetros de ímãs e eletricidade, as fontes desses neutrinos funcionam com base na gravidade e na turbulência magnética em escala galáctica.

O evento de 220 PeV provavelmente se originou de um blazar – um buraco negro supermassivo que dispara um jato de plasma diretamente em direção à Terra. A detecção efetivamente ultrapassou os limites do Modelo Padrão da física de partículas, desafiando nossa compreensão de quão alta a energia pode atingir antes que as leis da física imponham um limite de velocidade.

Engenharia do impossível

O sucesso do KM3NeT é uma vitória para a física. Implantar essas linhas é um balé logístico. Cada corda é enrolada em uma estrutura de lançamento esférica compacta, baixada até o fundo do mar por uma embarcação especializada e depois acionada acusticamente para se desenrolar, subindo centenas de metros na coluna de água.

Os desafios são implacáveis. A pressão nessas profundidades é de 350 atmosferas. A água salgada é altamente corrosiva. A eletrônica deve operar de forma autônoma durante décadas sem manutenção, já que não é possível simplesmente enviar um mergulhador para trocar um fusível. A equipe teve que desenvolver novos sistemas de transmissão de dados por fibra óptica para enviar terabytes de dados brutos do fundo do mar para estações costeiras em tempo real.

No início de 2025, o local da ARCA enfrentou uma falha de energia na sua rede do fundo do mar – um revés que exigiu uma intervenção robótica complexa para ser corrigido. Apesar desses obstáculos, a equipe continua implacável.

“A tecnologia está comprovada, mas o detector não está concluído”, admitiu DeJong. “Neste momento, cerca de 25% dos elementos detectores previstos foram implantados… mas completar o detector será um trabalho significativo.”

O cronograma reflete a magnitude da tarefa, visando 2030 para ORCA e 2031 para ARCA.

“O tamanho é importante para capturar neutrinos esquivos, por isso precisamos desse volume extra”, disse DeJong. “As condições difíceis nas profundezas do mar continuam desafiadoras.”

A nova era da astronomia

À medida que 2025 chega ao fim, o KM3NeT ainda está crescendo. Novas linhas estão sendo implantadas na França e na Itália. Mas já cumpriu a promessa. Passamos de uma era de astronomia puramente visual para uma astronomia “multimensageira”. Agora podemos observar uma estrela explodir com telescópios, sentir a ondulação no espaço-tempo com detectores de ondas gravitacionais e capturar as partículas fantasmas que fogem do local com caçadores de neutrinos.

“Gostaria de ver neutrinos provenientes de fontes que também emitem outros tipos de radiação, raios gama, por exemplo, ou ondas gravitacionais”, diz DeJong, olhando para o futuro. “A combinação de todas as informações realmente nos permitirá progredir na compreensão do universo”.

A Iniciativa KM3NeT lembra-nos que para ver os confins dos céus, por vezes temos de olhar profundamente para o abismo. Também nos lembra da nossa ligação íntima com esses eventos celestiais distantes.

Como observa DeJong: “Somos literalmente poeira estelar! Não é um conceito fantástico?”