Imagem do aglomerado de galáxias MACSJ0717.5+3745 com milhares de galáxias em quatro compartimentos separados. Os contornos azuis mostram a distribuição de massa inferida dos efeitos de lentes gravitacionais em objetos de fundo. Crédito NASA, ESA, D. Harvey (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suíça), R. Massey (Universidade de Durham, Reino Unido), Harald Ebeling (Universidade do Havaí em Manoa) e Jean-Paul Kneib (LAM)
Imagem do aglomerado de galáxias MACSJ0717.5+3745 com milhares de galáxias em quatro compartimentos separados. Os contornos azuis mostram a distribuição de massa inferida dos efeitos de lentes gravitacionais em objetos de fundo.
Que o universo está se expandindo é conhecido desde 1927, quando Edwin Hubble confirmou a ideia de Georges Lemaitre de um universo em expansão devido ao desvio para o vermelho das galáxias, e que o universo está se expandindo em uma taxa acelerada é conhecido desde 1998., medido por duas equipes independentes de astrônomos usando supernovas do Tipo Ia. Esta aceleração da expansão do universo começou há cerca de quatro mil milhões de anos, e foi então que a energia escura (Λ) se tornou mais forte do que a gravidade da matéria (escura).
Assim começa a fase de energia escura, seguindo a fase dominada pela matéria, que por sua vez segue a fase dominada pela radiação. Recentemente, foi feita uma tentativa de descrever essas diferentes fases da evolução do universo não com a cosmologia padrão do modelo ΛCDM, mas com a termodinâmica, um ramo da física que estuda as interações entre grandes coleções de partículas no nível macroscópico.
Essa termodinâmica remonta ao século 19, mas Mariano de Souza, da Universidade Estadual de São Paulo, e seus colegas acreditam que ainda é muito útil.
O que eles fizeram em particular foi testar se o chamado parâmetro efetivo de Grüneisen Γ eff é útil para representar a expansão do universo. O físico alemão Eduard August Grüneisen (1877-1949) o inventou em 1908 e é uma forma de representar o comportamento termoelástico de um material.
Crédito: Resultados em Física (2024). DOI: 10.1016/j.rinp.2024.107344
A equipe de Souza relaciona o parâmetro de Grüneisen à equação de estado EOS (equação de estado).
Para um fluido perfeito, a pressão pe a densidade de energia ρ estão relacionadas pela equação de estado (EOS):
ω = p / ρ , onde ω é o parâmetro EOS, pois sua interpretação costuma ser limitada a um valor numérico para cada época do universo.
O modelo ΛCDM afirma que ω = -1 , mas recentemente foi descoberto que este valor pode ser diferente na realidade.
Um dos resultados da abordagem termodinâmica para a expansão do universo é que tanto ω quanto Λ não são constantes, mas podem mudar com o tempo (ver ilustração acima).
O universo – galáxias, estrelas e planetas e até átomos e espaço-tempo desmoronarão.
"Também na perspectiva do parâmetro de Grüneisen, sugerimos que a transição de um regime de expansão em desaceleração [nas eras dominadas pela radiação e pela matéria] para um regime de expansão acelerada [em uma era dominada pela energia escura] se assemelha a uma transição de fase termodinâmica. Isto é porque Γ eff muda de sinal quando a expansão muda de desaceleração para aceleração. A mudança de sinal se assemelha à assinatura típica das transições de fase na física da matéria condensada”, comentou Souza.
A energia escura é frequentemente associada à constante cosmológica Λ [lambda], originalmente introduzida por Einstein em 1917 como a força repulsiva necessária para manter o universo em equilíbrio estático. Mais tarde, Einstein rejeitou o conceito, segundo alguns relatos. Foi restaurado quando se descobriu que a expansão do universo estava acelerando em vez de desacelerar. O modelo predominante, conhecido como Λ-CMD (Lambda-Cold Dark Matter), dá à constante cosmológica um valor fixo. Ou seja, presume-se que a densidade da energia escura permanece constante à medida que o universo se expande. No entanto, outros modelos sugerem que a densidade da energia escura e, portanto, Λ , varia com o tempo.
"Atribuir um valor fixo a lambda também significa atribuir um valor fixo a ômega, mas reconhecer ω como o parâmetro de Grüneisen efetivo nos permite inferir uma dependência temporal de ω à medida que o universo se expande para a era dominada pela energia escura. Isso leva diretamente a um dependência do tempo para Λ, ou constante gravitacional universal", explica Souza.
A pesquisa pode levar a desenvolvimentos importantes, pois fornece informações sobre uma nova interpretação da expansão do universo do ponto de vista da termodinâmica e da física da matéria condensada.
Referência: Lucas Squillante et al, Explorando a expansão do universo usando o parâmetro Grüneisen, Results in Physics (2024). DOI: 10.1016/j.rinp.2024.107344
Fonte : Estudo usa termodinâmica para descrever expansão do universo , José Tadeu Arantes, FAPESP