Dr. Rodrigo Lang – O foco em raios gama, raios cósmicos, métodos computacionais avançados e questões fundamentais da astrofísica
Após trajetória construída no próprio Instituto de Física de São Carlos (IFSC/USP) e experiência em grandes colaborações internacionais, Rodrigo Guedes Lang volta à casa onde foi formado para liderar pesquisas com raios gama e raios cósmicos, formar novos pesquisadores e ajudar a colocar o Brasil ainda mais perto das grandes questões mundiais da física contemporânea
Há mais de duas décadas, ainda estudante, Rodrigo Guedes Lang chegou ao Instituto de Física de São Carlos (IFSC/USP) para participar de uma escola de verão. O contato com a Universidade e com a ciência desenvolvida no Instituto acabaria influenciando uma decisão que definiria sua trajetória profissional. Anos depois, foi no próprio Instituto que fez graduação, iniciação científica, mestrado e doutorado, antes de seguir para a Alemanha e se integrar com algumas das grandes colaborações internacionais dedicadas ao estudo do Universo em altas energias.
Agora, o pesquisador retorna ao lugar onde começou sua formação científica trazendo na bagagem experiência internacional, uma extensa rede de colaboradores e um objetivo ambicioso: fortalecer no IFSC/USP uma linha de investigação dedicada a compreender alguns dos fenômenos mais energéticos do cosmos e, a partir deles, colocar à prova as próprias fronteiras do conhecimento atual em física.
Aos 34 anos, Lang inicia essa nova etapa interessado principalmente em raios gama, raios cósmicos, métodos computacionais avançados e questões fundamentais da astrofísica.
Sua história com o IFSC/USP começou antes mesmo da universidade. Durante os ensinos fundamental e médio, envolveu-se intensamente com olimpíadas acadêmicas, especialmente de física e ciências. Em uma delas, foi selecionado para representar o Brasil em uma competição internacional. Associada àquela experiência estava uma escola de verão realizada no Instituto de Física de São Carlos.
O H.E.S.S. é um sistema de cinco telescópios sensíveis a raios gama de alta energia. Juntos, eles observam simultaneamente o céu do hemisfério sul. Os telescópios estão localizados na Fazenda Göllschau, perto de Windhoek (Namíbia) – (Créditos – H.E.S.S.)
Foi assim que, por volta de 2007, conheceu o IFSC/USP. Alguns anos depois, em 2010, ingressou no Instituto, inicialmente no Curso de Ciências Físicas e Biomoleculares. “O interesse pela física acabou falando mais alto e, após dois anos, mudei o rumo de minha formação para a área de física teórica-experimental. Uma conversa com o professor Luiz Vitor de Souza (IFSC/USP) abriria então as portas da astrofísica. O que começou com um projeto de iniciação científica transformou-se em uma parceria acadêmica de nove anos, envolvendo iniciação científica, mestrado e doutorado”, enfatiza o pesquisador.
Uma ciência que ultrapassa fronteiras
A astrofísica moderna dificilmente cabe dentro das fronteiras de uma única universidade — ou mesmo de um único país.
Para investigar fenômenos que ocorrem na ordem de centenas de quintilhões de quilômetros (ou equivalente a milhões de anos-luz) da Terra, pesquisadores dependem de observatórios sofisticados, grandes detectores, sistemas computacionais e equipes formadas por centenas de especialistas espalhados pelo mundo.
Lang entrou nesse ambiente internacional ainda durante sua pós-graduação. Participou de grandes colaborações relacionadas ao estudo de raios cósmicos e raios gama e realizou parte do seu doutorado na Alemanha. Essa inserção proporcionou contato frequente com pesquisadores estrangeiros, participação em reuniões científicas e períodos de trabalho junto a outros grupos.
Ao final do doutorado, recebeu convite para realizar pós-doutorado na Alemanha. “A mudança ocorreu em 2021, em plena pandemia de Covid-19. Com as fronteiras fechadas, os primeiros meses precisaram ser cumpridos remotamente, a partir do Brasil. Posteriormente, consegui seguir para a Alemanha e aprofundar minha atuação nas grandes colaborações da área”, recorda Lang.
Foi nesse período que se envolveu intensamente com o Observatório H.E.S.S – https://hess-experiment.eu/telescopes/ -, um dos principais experimentos em funcionamento dedicados à astronomia de raios gama. Sua atuação ultrapassou a participação científica: Lang assumiu responsabilidades de liderança no desenvolvimento dos sistemas utilizados para transformar os sinais captados pelos instrumentos em informações que possam ser interpretadas pelos pesquisadores.
Enxergar o Universo com outros “olhos”
“Para compreender o trabalho do pesquisador, é preciso abandonar por alguns instantes a ideia de que observar o Universo significa apenas olhar para as estrelas através de um telescópio convencional. Nossos olhos percebem somente uma pequena faixa da radiação eletromagnética: a luz visível. O Universo, porém, emite informações também em ondas de rádio, infravermelho, ultravioleta, raios X e raios gama, entre outras formas de radiação”, explica o pesquisador.
Quando os raios cósmicos atingem moléculas na atmosfera da Terra, eles se fragmentam em chuvas de partículas secundárias que perdem a maior parte de sua energia antes de chegarem ao solo. Detectores na Terra procuram por esses rastros reveladores. (Créditos – ASPERA/Novapix/L. Bret/University of Chicago)
Lang utiliza uma comparação bastante simples. “Quando um médico observa um paciente, consegue identificar externamente determinadas alterações. Mas, se quiser enxergar um osso quebrado, precisará recorrer aos raios X, ou se precisar investigar outras estruturas internas poderá necessitar de tomografia ou ressonância magnética. Com o Universo acontece algo semelhante”, elucida.
Para compreender completamente um objeto celeste, os astrônomos precisam observá-lo através de diferentes “janelas”. A luz visível conta uma parte da história. Outras formas de radiação revelam aquilo que nossos olhos jamais conseguiriam perceber.
É nesse contexto que entram os raios gama, a forma mais energética da radiação eletromagnética. Eles podem ser produzidos em ambientes extremos do cosmos e trazer informações sobre buracos negros, supernovas, pulsares e outros fenômenos capazes de acelerar partículas a energias extraordinárias.
Quando uma partícula vinda do espaço encontra a atmosfera
Detectar raios gama de altíssima energia, entretanto, não é tão simples quanto apontar um telescópio para uma estrela.
De onde vêm os raios cósmicos? “Essas partículas chegam constantemente à Terra vindas do espaço e algumas apresentam energias extraordinariamente elevadas (…) Embora sejam estudadas há décadas, a origem exata das partículas de maiores energias ainda está entre as questões investigadas pela astrofísica contemporânea”
Ao chegar à Terra, essa radiação interage com a atmosfera. A energia envolvida pode desencadear uma sucessão de interações, produzindo novas partículas, que por sua vez produzem outras. Forma-se assim uma cascata conhecida como chuveiro atmosférico.
“Tudo acontece em uma escala de tempo extremamente curta, da ordem de nanossegundos. Os grandes experimentos de astronomia gama procuram registrar sinais produzidos por essas cascatas. A partir deles, os cientistas tentam reconstruir uma espécie de história ao contrário: determinar qual era a energia da partícula original, de que direção ela chegou e, finalmente, qual fenômeno astrofísico pode tê-la produzido”, explica o Dr. Rodrigo Lang. É justamente nesse caminho entre o sinal captado pelo equipamento e a descoberta científica que se concentra uma parte importante da experiência que Lang traz de volta ao IFSC/USP.
Inteligência computacional para interpretar o cosmos
Um grande observatório pode produzir enormes quantidades de sinais. Mas detectar alguma coisa não significa automaticamente compreender o que foi detectado.
É necessário separar informações relevantes de ruídos, reconstruir eventos e determinar características como energia, direção e natureza das partículas observadas.
Para isso, entram em cena métodos computacionais cada vez mais sofisticados, inclusive técnicas de aprendizado de máquina, área pela qual Lang demonstra particular interesse.
Essa combinação entre astrofísica, instrumentação e ciência computacional é uma das características do projeto que o pesquisador pretende desenvolver no Instituto de Física de São Carlos.
A proposta é trabalhar desde a interpretação inicial dos sinais produzidos pelos detectores até as grandes perguntas científicas que podem ser respondidas a partir desses dados.
Em outras palavras, não se trata apenas de receber informações de um telescópio, mas de compreender profundamente como o instrumento funciona, extrair dele a melhor informação possível e, finalmente, usar esses resultados para investigar a Física do Universo.
O mistério dos raios cósmicos
Entre as questões que motivam Lang está um problema que acompanha a ciência há mais de cem anos: de onde vêm os raios cósmicos? “Essas partículas chegam constantemente à Terra vindas do espaço e algumas apresentam energias extraordinariamente elevadas”, pontua Lang. “Embora sejam estudadas há décadas, a origem exata das partículas de maiores energias ainda está entre as questões investigadas pela astrofísica contemporânea. Encontrar suas fontes significa procurar os aceleradores naturais existentes no cosmos. Buracos negros? Explosões de estrelas? Regiões extremas próximas ao centro das galáxias? Responder a perguntas como essas pode revelar muito sobre o funcionamento dos ambientes mais violentos do Universo”, destaca o pesquisador.
Explosões violentas de raios gama, conhecidas como *gamma-ray bursts* (ou rajadas de raios gama), estão entre as explosões mais poderosas do cosmos. Observações do Telescópio Espacial Hubble sugerem que a rajada de raios gama GRB 190114C (ilustrada) originou-se do colapso de uma estrela (Créditos – NASA, ESA e M. Kornmesser)
Mas, há algo ainda mais profundo por trás dessas pesquisas. O Universo pode revelar uma nova Física? Durante séculos, a Física de Newton descreveu com enorme sucesso o movimento dos corpos. No início do século XX, entretanto, cientistas perceberam que, em determinadas escalas e condições, aquela descrição já não era suficiente. Surgiram então dois pilares da Física moderna: a mecânica quântica e a relatividade. Ambas transformaram nossa compreensão da natureza e foram confirmadas por incontáveis experimentos. Mesmo assim, permanece um dos maiores desafios da Física: construir uma descrição capaz de compatibilizar completamente a gravidade, descrita pela relatividade, com o mundo quântico”, sublinha Rodrigo Lang.
Lang está interessado justamente em procurar sinais que possam indicar onde as teorias atuais encontram seus limites. Um dos temas de sua pesquisa envolve a chamada invariância de Lorentz, princípio fundamental relacionado à relatividade.
Eventuais desvios desse princípio, caso existam e possam ser observados, poderiam indicar que a descrição atual da Física necessita de novos elementos. O problema é que efeitos desse tipo tenderiam a aparecer apenas em condições extremas de energia.
E é aí que o Universo oferece aos cientistas algo que nenhum laboratório terrestre consegue proporcionar.
Um laboratório que a humanidade jamais conseguiria construir
Há fenômenos no cosmos que envolvem energias, distâncias e escalas de tempo impossíveis de reproduzir experimentalmente na Terra.
Os raios cósmicos de altíssimas energias transformam-se, dessa forma, em ferramentas para investigar as próprias fundações da Física.
O Universo funciona como um gigantesco laboratório natural.
Em vez de produzir artificialmente determinadas condições, os pesquisadores procuram fenômenos onde a própria natureza já as produziu e observam as partículas e radiações que chegam até nós.
É ciência básica em seu sentido mais profundo: pesquisa destinada a ampliar as fronteiras do conhecimento, mesmo quando não existe uma aplicação tecnológica imediata.
IFSC/USP como ponto de encontro de uma rede internacional
É justamente nesse cenário que o retorno do Dr. Rodrigo Guedes Lang ganha importância para o IFSC/USP.
O pesquisador volta a São Carlos trazendo não apenas conhecimentos adquiridos durante sua experiência na Alemanha, mas também vínculos estabelecidos com importantes grupos internacionais.
Cogitando a possibilidade de se formar uma equipe com estudantes de doutorado e mestrado e pesquisadores de pós-doutorado
Seu projeto prevê inicialmente a formação de uma equipe com estudantes de doutorado e mestrado e pesquisador de pós-doutorado. Ao mesmo tempo, essa equipe não começará isolada. Ela estará inserida no grupo de astrofísica já existente no Instituto e conectada a instituições brasileiras e estrangeiras. “A estratégia permite reunir diferentes gerações de pesquisadores e combinar a experiência acumulada no IFSC/USP com novos conhecimentos trazidos das colaborações internacionais. Para o Instituto, significa também ampliar sua presença em uma área científica na qual grandes descobertas dependem, cada vez mais, de redes internacionais e do domínio de tecnologias altamente especializadas.
Brasil assume posições de liderança
A participação brasileira nesse cenário não é periférica.
Segundo Lang, pesquisadores do país já exercem funções de destaque em importantes colaborações internacionais da astronomia de altas energias, tanto na liderança científica quanto no desenvolvimento e construção dos experimentos.
O próprio pesquisador relata exercer posições de liderança em atividades relacionadas à análise do H.E.S.S. e ao estudo de raios cósmicos no SWGO – https://www.swgo.org/SWGOWiki/doku.php -. Ele destaca ainda a participação de outros pesquisadores brasileiros em funções estratégicas dessas grandes colaborações.
Seu retorno acrescenta um novo componente a essa presença: de acordo com o relato apresentado na entrevista, o projeto está relacionado à entrada do Brasil como membro pleno da colaboração H.E.S.S., ampliando a inserção nacional entre os grandes experimentos da área.
A América do Sul possui ainda importância geográfica especial para algumas dessas iniciativas. Regiões do Chile e da Argentina apresentam condições particularmente favoráveis para instalações destinadas à observação do céu em altas energias. Isso coloca os pesquisadores sul-americanos em uma posição estratégica para o desenvolvimento da área nas próximas décadas.
De aluno do IFSC a pesquisador na fronteira da astrofísica
A trajetória de Lang fecha, de certa maneira, um ciclo.
O jovem que chegou ao IFSC/USP atraído por uma escola de verão tornou-se aluno do Instituto, iniciou ali sua carreira científica, passou nove anos trabalhando em astrofísica durante sua formação, integrou grandes experimentos internacionais, desenvolveu parte da carreira na Alemanha e agora retorna para formar sua própria equipe e ajudar a preparar uma nova geração de pesquisadores.
Mas o retorno não significa voltar ao ponto de partida.
Significa trazer para São Carlos uma experiência construída em uma rede internacional e colocá-la novamente a serviço da instituição onde sua formação científica começou.
Nesse percurso, o IFSC/USP aparece não apenas como local de formação, mas como parte ativa de uma ciência que depende da circulação de pesquisadores, da cooperação internacional e da capacidade de transformar conhecimento adquirido no exterior em novas competências científicas no Brasil.
“De onde viemos, onde estamos e para onde vamos?”
E as perguntas que movem esse trabalho dificilmente poderiam ser maiores. “De onde vêm as partículas mais energéticas que atravessam o Universo? O que acontece nas proximidades de buracos negros e outros ambientes cósmicos extremos? As teorias fundamentais que utilizamos hoje conseguem explicar a natureza em todas as escalas? Ou o Universo ainda guarda sinais de uma Física que não conhecemos?”, questiona o pesquisador.
Para respondê-las, Rodrigo Guedes Lang e seus colaboradores olharão para fenômenos que nenhum laboratório humano poderia reproduzir. É uma investigação realizada a partir do IFSC/USP, em São Carlos, mas cujo laboratório é o próprio Universo.
Resumidamente, trata-se de sabermos de onde viemos, onde estamos e para onde vamos.
Rui Sintra – Assessoria de Comunicação – IFSC/USP
