_ Studiul folosește termodinamica pentru a descrie expansiunea a universului

Ideea că universul se extinde datează de acum aproape un secol. A fost prezentat pentru prima dată de cosmologul belgian Georges Lemaître (1894–1966) în 1927 și confirmat prin observație de astronomul american Edwin Hubble (1889-1953) doi ani mai târziu. Hubble a observat că deplasarea spre roșu în spectrul electromagnetic al luminii primite de la obiectele cerești a fost direct proporțională cu distanța lor față de Pământ, ceea ce însemna că corpurile mai îndepărtate de Pământ se îndepărtau mai repede și universul trebuie să se extindă.

Un nou ingredient surprinzător a fost adăugat modelului în 1998, când observațiile supernovelor foarte îndepărtate de către Proiectul de cosmologie Supernova și Echipa de căutare a supernovelor High-Z au arătat că universul accelerează pe măsură ce se extinde, mai degrabă decât să fie încetinit de forțele gravitaționale. așa cum se presupunea. Această descoperire a condus la conceptul de energie întunecată, despre care se crede că reprezintă mai mult de 68% din toată energia din universul observabil în prezent, în timp ce materia întunecată și materia obișnuită reprezintă aproximativ 27% și, respectiv, 5%.

„Măsurătorile deplasării spre roșu sugerează că expansiunea accelerată este adiabatică [fără transfer de căldură] și anizotropă [variază în magnitudine atunci când este măsurată în direcții diferite]”, a spus Mariano de Souza, profesor la Departamentul de Fizică de la Universitatea de Stat din São Paulo. (UNESP) din Rio Claro, Brazilia. „Conceptele fundamentale în termodinamică ne permit să deducem că expansiunea adiabatică este întotdeauna însoțită de răcire din cauza efectului barocaloric [schimbarea termică indusă de presiune], care este cuantificată prin raportul Grüneisen [Γ, gamma].”

În 1908, fizicianul german Eduard August Grüneisen (1877–1949) a propus o expresie matematică pentru Γeff, parametrul efectiv Grüneisen, o cantitate importantă în geofizică care apare adesea în ecuațiile care descriu comportamentul termoelastic al materialului. Combină trei proprietăți fizice: coeficientul de dilatare, căldura specifică și compresibilitatea izotermă.

Aproape un secol mai târziu, în 2003, Lijun Zhu și colaboratorii au demonstrat că o parte specifică a parametrului Grüneisen numită raportul Grüneisen, a definit ca raportul dintre expansiunea termică și căldura specifică, crește semnificativ în vecinătatea unui punct critic cuantic datorită acumulării de entropie. În 2010, Souza și doi colaboratori germani au arătat că același lucru se întâmplă în apropierea unui punct critic de temperatură finită.

Acum, Souza și colegii de cercetare de la UNESP au folosit parametrul Grüneisen pentru a descrie aspecte complexe ale expansiunii univers într-un articol publicat în revista Results in Physics, prezentând o parte a doctoratului. cercetarea primului autor Lucas Squillante, în prezent bursier postdoctoral sub supravegherea lui Souza.

„Dinamica asociată cu expansiunea universului este în general modelată ca un fluid perfect a cărui ecuație de stare este ω = p/ρ, unde ω [omega] este parametrul ecuației de stare, p este presiunea și ρ [rho] este densitatea de energie Deși ω este utilizat pe scară largă, semnificația sa fizică nu a fost încă tratată ca o constantă fiecare eră a universului. Unul dintre rezultatele importante ale cercetării noastre este identificarea lui ω cu parametrul Grüneisen efectiv prin intermediul ecuației de stare Mie-Grüneisen”, a spus Souza.

The Mie–Grüneisen. ecuația de stare se referă la presiune, volum și temperatură și este adesea folosită pentru a determina presiunea într-un solid comprimat la șoc.

Autorii arată, folosind parametrul Grüneisen, că răcirea continuă a universului este asociată cu un efect barocaloric care leagă presiunea și temperatura și are loc din cauza expansiunii adiabatice a universului. Pe această bază, ei propun că parametrul Grüneisen este dependent de timp în epoca dominată de energia întunecată (era actuală a universului).

Unul dintre aspectele interesante ale acestei cercetări este utilizarea termodinamicii și a solidului. -sună concepte de fizică precum stresul și deformarea pentru a descrie expansiunea anizotropă a universului. „Arătăm că parametrul Grüneisen este încorporat în mod natural în tensorul de stres energie-impuls din celebrele ecuații de câmp ale lui Einstein, deschizând o nouă modalitate de a investiga efectele anizotrope asociate cu expansiunea universului. Acestea nu exclud posibilitatea unei Big Rip”, a spus Souza.

Ipoteza Big Rip, prezentată pentru prima dată în 2003 într-un articol publicat în Physical Review Letters, presupune că dacă cantitatea de energie întunecată este suficientă pentru a accelera expansiunea universului dincolo de o viteză critică, aceasta ar putea rupe „țesătura” spațiu-timp și smulge universul.

„De asemenea, din perspectiva parametrului Grüneisen, presupunem că trecerea de la un regim de expansiune în decelerare [ în epocile dominate de radiații și materie] la un regim de expansiune accelerată [în era dominată de energia întunecată] seamănă cu o tranziție de fază termodinamică semnătura tranzițiilor de fază în fizica materiei condensate”, a spus Souza.

Energia întunecată este adesea asociată cu constanta cosmologică Λ [lambda], introdusă inițial de Einstein în 1917 ca o forță respingătoare necesară pentru a menține universul în echilibru static. Einstein a respins ulterior conceptul, conform unor relatări. A fost reabilitat când s-a descoperit că expansiunea universului se accelerează în loc să decelereze. Modelul hegemonic, cunoscut sub numele de Λ-CMD (Lambda-Cold Dark Matter), dă constantei cosmologice o valoare fixă. Adică, presupune că densitatea energiei întunecate rămâne constantă pe măsură ce universul se extinde. Cu toate acestea, alte modele presupun că densitatea energiei întunecate și, prin urmare, Λ, variază în timp.

„Atribuirea unei valori fixe lambda înseamnă, de asemenea, alocarea unei valori fixe pentru omega, dar recunoașterea lui ω ca efect efectiv. Parametrul Grüneisen ne permite să deducem dependența de timp pentru ω pe măsură ce universul se extinde în epoca dominată de energia întunecată. Aceasta implică în mod direct dependența de timp pentru Λ, sau constanta gravitației universale”, a spus Souza.

Studiul ar putea. conduce la dezvoltări importante în măsura în care oferă o nouă interpretare a expansiunii universului în termeni de termodinamică și fizica materiei condensate.

Pe lângă Souza și Squillante, ceilalți coautori ai articolului sunt Antonio Seridonio (UNESP Ilha Solteira), Roberto Lagos-Monaco (UNESP Rio Claro), Gabriel Gomes (Institutul de Astronomie, Geofizică și Științe Atmosferice, Universitatea din São Paulo, IAG-USP), Guilherme Nogueira (UNESP Rio Claro) și Ph.D. .D. candidatul Isys Mello, supravegheat de Souza.

(Fluierul)