Angela Olinto desvenda as propriedades de estrelas estranhas, feitas de quarks

O intuito da coluna #MulherCientista é apresentar pesquisadoras brasileiras e mostrar a ciência que elas fazem dentro e fora do país. Esta é a primeira cientista da coluna que não nasceu no Brasil. Angela Villela Olinto nasceu em Boston, nos Estados Unidos, enquanto seu pai fazia pós-graduação no MIT. Mas não tem problema: ela se mudou para o Brasil com dois anos de idade, e se considera muito mais brasileira do que americana. Foi aqui que ela desenvolveu sua paixão pela ciência e entrou na faculdade – aos 16 anos, ela já estava cursando física na PUC do Rio de Janeiro.

Não demorou para Angela voltar à cidade onde nasceu. Quando terminou a faculdade, aos 20 anos, ela começou o doutorado no MIT. Lá, seu foco era estudar física de partículas. “A ideia de que a gente pode se comunicar com a natureza por meio da matemática sempre foi uma coisa fascinante”, diz a pesquisadora. “A simplicidade do fundamental é algo muito bonito, até meio poético”.

Estrelas estranhas

O “fundamental” a que a pesquisadora se refere são as partículas elementares. As partículas que compõem tudo que existe no Universo; abaixo delas não há nada menor. Tais partículas não podem ser os átomos – porque eles são feitos de elétrons, prótons e nêutrons. Os prótons e nêutrons, por sua vez, são feitos de outras partículas: os quarks, bósons e léptons. Esses sim, não são feitos de mais nada. São os últimos tijolos da física. Por isso, são chamados de partículas fundamentais.

Ao formar um próton ou um nêutron, essas partículas ficam muito grudadas umas nas outras. É extremamente difícil separá-las. (Tanto é que precisamos de um acelerador de partículas como o LHC para dar conta do trabalho. Ele faz os prótons se chocarem a velocidades altíssimas para separá-los em seus menores componentes). 

No doutorado, Olinto estudou as propriedades de estrelas feitas dessas partículas elementares – mais especificamente, de quarks. Como os quarks formam os prótons e nêutrons dos átomos, quase tudo que existe leva uma boa dose de quarks em sua composição (inclusive nós). Acontece que as estrelas estudadas pela pesquisadora são feitas só de quarks, organizados de forma extremamente compacta.

Essas estrelas são chamadas de estrelas estranhas, porque elas incluem um tipo de quark chamado quark estranho (é só um apelido). Como se isso já não fosse estranho o suficiente, tem mais: ninguém sabe se elas existem de verdade. São estrelas hipotéticas, que poderiam existir segundo os cálculos dos físicos, mas ninguém nunca confirmou que elas de fato existem. 

Uma possibilidade que algumas estrelas de nêutrons já conhecidas poderiam ser, na verdade, estrelas de quarks. Elas são os objetos mais compactos do universo após os buracos negros. “Uma das formas de saber a diferença é conseguir ver elas rodando muito rápido. Se for de nêutron, elas arrebentam, mas se for de quark, elas seguram por mais tempo.” diz Olinto. “Mas a gente só vê elas girando muito rápido quando há a explosão de uma estrela, o que acontece a cada 100 anos [em média]. Por enquanto, não testamos a hipótese”.

Teoria inflacionária

Após o doutorado, Olinto fez pesquisas no Fermilab, um laboratório com um dos aceleradores de partículas mais potentes do mundo. Lá, ela colaborou com o desenvolvimento de uma nova teoria sobre a expansão do Universo; uma teoria que se tornaria mainstream na academia. 

A explicação começa com a seguinte observação: todas as medições e cálculos sobre o Universo mostram que ele é assustadoramente homogêneo. Não há muitas flutuações de temperatura ou de massa: em média, o componentes do cosmos se distribuem de maneira uniforme e bem comportada por sua extensão. 

O problema disso é que qualquer flutuação de densidade no início da expansão do Universo resultaria em um cenário completamente diferente. E alguma flutuação precisa ter ocorrido. “A gente precisaria ter uma altíssima precisão, de 20 ordens de grandeza, para gerar um universo calminho. Mas a mecânica quântica não permite nada que não tenha flutuações”, diz a pesquisadora.

Aí que surge a teoria: ela propõe a existência de uma fase inicial em que houve um crescimento exponencial do universo – ou seja, uma expansão numa taxa bem mais alta que a verificada hoje. Por motivos difíceis de explicar em português, mas claríssimos na matemática, esse período momentâneo de expansão mais rápida explicaria a homogeneidade verificada hoje. A teoria original foi proposta em 1981, Olinto publicou sua contribuição em 1990, e até hoje diversos pesquisadores adicionam camadas à pesquisa.

Astropartículas

Depois de estudar estrelas estranhas e participar de uma momento de virada nos estudos sobre a expansão do universo, Olinto ainda estudou campos magnéticos (como eles se formam, evoluem, entre outros aspectos). Os campos magnéticos de outras galáxias, por exemplo, desviam os raios cósmicos que estão vindo em direção à Terra. Esses raios são núcleos de átomos aceleradíssimos que chegam à Terra o tempo todo, mas não sabemos quais fenômenos cósmicos geram eles porque os campos magnéticos bagunçam as rotas. 

Há uma exceção: os raios cósmicos de alta energia. Como o nome diz, eles são tão carregados de energia que acabam sendo pouco influenciados pelos campos magnéticos. Eles seguem uma trajetória quase retilínea desde a fonte até nós – e em tese seria possível identificar de onde eles vêm.

O problema é que eles são muito raros. Seria necessário construir um telescópio enorme para coletar dados sobre esses raios. Olinto participou de projetos de detecção de astropartículas, como do observatório Pierre Auger, na Argentina, que possui mais de 3 mil quilômetros quadrados de extensão. Hoje, ela lidera detectores de astropartículas lançados em balões da NASA.

Compreender a origem dessas partículas é um dos caminhos para responder algumas questões da física: elas vêm de galáxias ou buracos negros? Como chegam até aqui? Como essas partículas interagem entre si, ou mesmo com a matéria escura? Essas são perguntas que a física busca responder.

Esses são apenas alguns dos trabalhos dos quais Angela Villela Olinto já participou. Atualmente, ela é professora da Universidade de Chicago. E desde 2021, a pesquisadora integra a Academia Americana de Artes e Ciências e a Academia Nacional de Ciências dos Estados Unidos.

• Astrofísica
• estrela
• expansão
• Universo