Para quem não é tão familiarizado com o mundo das astropartículas, vale uma breve definição do que é um neutrino. Trata-se de uma partícula subatômica extremamente leve e sem carga elétrica. Também chamados de “partículas fantasma“, os neutrinos raramente interagem com a matéria e exibem massa extremamente pequena, sendo quase 1 milhão de vezes mais leves que o elétron.
Em fevereiro de 2023, uma dessas partículas, vinda de algum lugar do cosmo fora da Terra, despertou forte atenção internacional ao ser detectada nas profundezas do Mar Mediterrâneo pelo telescópio submarino KM3NeT.
A razão por trás do grande interesse foi a energia extraordinária do neutrino em questão. Os cientistas estimaram que a energia daquela única partícula fantasma era de cerca de 220 petaelétron-volts (PeV). Para efeito de comparação, o maior acelerador de partículas do mundo, o Large Hadron Collider (LHC), consegue gerar prótons com cerca de 13 teraelétron-volts (TeV) – aproximadamente uma parte em dez mil de 220 PeV. Se transformássemos a energia daquele neutrino em algo mais palpável, 220 PeV seria comparável à energia cinética de uma mosca voando. Não é muito para objetos grandes, mas para uma partícula subatômica é uma quantia incrivelmente alta.
O evento, como era de se esperar, provocou intensa discussão na comunidade científica sobre sua origem. Entre as hipóteses mais ousadas, surgiu a possibilidade de que o sinal estivesse associado à explosão final de um buraco negro primordial, fenômeno teórico que envolve a emissão violenta de radiação de Hawking e de partículas de altíssima energia, capazes de atravessar o universo quase sem interação.
Foi justamente essa a hipótese investigada por um grupo de pesquisadores, incluindo o físico brasileiro Gabriel Massoni Salla, no paper “Poderia a explosão de um buraco negro primordial explicar o evento de neutrino de energia extremamente alta do KM3NeT?”, publicado no início deste ano e que mereceu destaque no Physical Review Letters.
Doutor pela Universidade de São Paulo (USP) e atualmente em pós-doutorado no Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), situado em Hamburgo, Alemanha, Salla conduziu o estudo ao lado de Lua Airoldi (mestranda na USP), Gustavo Alves (pós-doutor no Fermilab), da professora Renata Zukanovich Funchal (USP) e de Yuber Perez-Gonzalez (Universidade de Madri). A equipe explorou se a hipótese de buracos negros primordiais poderia explicar o evento observado pelo KM3NeT.
Segundo Salla, a motivação inicial surgiu quase como um desafio intelectual. “Nós já estávamos convencidos de que essa possibilidade era extremamente improvável”, conta. Estimativas preliminares indicavam que, para gerar um neutrino tão energético, o suposto buraco negro teria de estar muito próximo da Terra, provavelmente no interior do Sistema Solar. Nesse caso, seria praticamente impossível que outros observatórios não tivessem detectado sinais adicionais associados à explosão.
Enquanto o grupo desenvolvia uma análise mais ampla sobre como diferentes experimentos respondem a eventos transientes (aqueles de curta duração e de emissão abrupta de partículas), um estudo do MIT sugeriu que buracos negros primordiais poderiam, sim, ser a fonte de neutrinos de altíssima energia. Essa divergência motivou Salla e seus colegas a investigar o fenômeno.
Relíquias do universo
Mas afinal, o que são buracos negros primordiais? Diferentemente dos buracos negros formados a partir do colapso de estrelas massivas, previstos pela Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein em 1915, os primordiais teriam se formado instantes após o Big Bang, em condições extremas de densidade e temperatura. São, portanto, relíquias do universo recém-nascido, oferecendo uma janela rara para investigar os primeiros momentos da evolução cósmica.
“Qualquer informação que possamos obter sobre o universo primordial é extremamente valiosa”, destaca Salla. A existência desses buracos negros poderia fornecer pistas sobre flutuações de densidade nos primeiros instantes do cosmos e sobre a natureza da matéria escura, um dos maiores mistérios da física moderna.
Um dos elementos centrais da discussão é a radiação de Hawking, proposta na década de 1970 por Stephen Hawking. De acordo com essa previsão teórica, buracos negros não são totalmente “negros”: efeitos quânticos próximos ao horizonte de eventos permitem que emitam partículas, perdendo massa gradualmente. Quanto menor o buraco negro, mais intensa é a emissão, culminando em uma explosão final violenta.
“É um fenômeno contraintuitivo”, explica Salla. “Quanto menor a massa do buraco negro, mais rapidamente ele evapora e mais energética é a emissão. Na fase final, ocorre uma explosão abrupta, com partículas de todos os tipos: fótons, elétrons, prótons, neutrinos e até partículas hipotéticas ainda desconhecidas.”
Se o neutrino detectado pelo KM3NeT tivesse se originado dessa evaporação final, outros detectores teriam registrado sinais simultâneos. Esperava-se uma intensa emissão de raios gama e de múltiplos neutrinos no período imediatamente anterior ao evento. Foi justamente essa expectativa que levou à abordagem multimensageira na análise conduzida por Salla e colaboradores.
Cada vez mais utilizada em astrofísica, a estratégia multimensageira integra dados de diferentes tipos de detectores e de partículas, oferecendo uma visão completa de fenômenos extremos. Experimentos como o IceCube, no Polo Sul, e o KM3NeT focam em neutrinos, enquanto observatórios como o LHAASO monitoram partículas carregadas e radiação eletromagnética de alta energia, incluindo raios gama.
Cada detector possui características próprias: tipo de partícula que registra, sensibilidade, localização geográfica e campo de visão. Eventos transientes, como a explosão final de um buraco negro, exigem atenção a esses fatores, pois a rotação da Terra pode impedir que certos observatórios “vejam” o fenômeno no instante de sua ocorrência. No caso dos neutrinos, entretanto, a rigor, a interação extremamente fraca com a matéria permite que atravessem a Terra praticamente sem impedimento, ampliando a cobertura observacional.
Após a análise detalhada, a conclusão do grupo foi clara: se um buraco negro primordial tivesse evaporado nas proximidades do Sistema Solar, outros detectores teriam registrado sinais significativos, especialmente de raios gama e de múltiplos neutrinos. A ausência desses sinais torna a hipótese altamente improvável, ainda que cientificamente valiosa para delimitar possibilidades.
“A ausência de sinais pode ser tão reveladora quanto uma grande descoberta. Ao descartar cenários, estreitamos o leque de explicações e aprimoramos modelos teóricos”, sublinha Salla.
Mesmo com a hipótese de buracos negros primordiais enfraquecida, alternativas permanecem em aberto. Uma linha de investigação envolve modificações nos mecanismos de produção ou interação dos neutrinos, como a interação de raios cósmicos com campos de radiação, capazes de gerar partículas de alta energia. Outra considera a existência de partículas massivas ainda não detectadas que decaiam em neutrinos energéticos. Cenários envolvendo versões alternativas de buracos negros também estão sob estudo.
Seja como for, o episódio reforça a necessidade de colaboração internacional e de integração entre teoria e experimento. “Hoje, não basta analisar apenas experimentos de neutrinos ou telescópios de raios gama isoladamente. É preciso considerar todos os dados em conjunto, integrando esforços teóricos e experimentais”, afirma Salla.
Ele acrescenta que o campo de astropartículas vive um momento de expansão. O KM3NeT é relativamente novo; o IceCube opera há mais de uma década; novos detectores estão em planejamento, ampliando a capacidade de observar fenômenos extremos. Nesse cenário, grupos brasileiros participam ativamente de pesquisas teóricas e colaborações experimentais internacionais, mantendo o país conectado à fronteira do conhecimento global. O neutrino de 220 PeV detectado no Mediterrâneo permanece, por ora, um enigma. Mas a investigação conduzida por Salla e colegas ajudou a tornar a busca mais precisa e a refinar as estratégias de observação.
Assista à entrevista com o pesquisador Gabriel Massoni Salla
Por Leandro Haberli
