Tanken att universum expanderar är från nästan ett sekel sedan. Den lades fram först av den belgiske kosmologen Georges Lemaître (1894–1966) 1927 och bekräftades observationsmässigt av den amerikanske astronomen Edwin Hubble (1889–1953) två år senare. Hubble observerade att rödförskjutningen i det elektromagnetiska spektrumet av ljuset som mottogs från himlaobjekt var direkt proportionell mot deras avstånd från jorden, vilket innebar att kroppar längre bort från jorden rörde sig bort snabbare och universum måste expandera.
En överraskande ny ingrediens lades till modellen 1998 när observationer av mycket avlägsna supernovor av Supernova Cosmology Project och High-Z Supernova Search Team visade att universum accelererar när det expanderar, snarare än att bromsas av gravitationskrafter, som hade antagits. Denna upptäckt ledde till konceptet mörk energi, som tros stå för mer än 68 % av all energi i det för närvarande observerbara universum, medan mörk materia och vanlig materia står för cirka 27 % respektive 5 %.
"Mätningar av rödförskjutning tyder på att den accelererande expansionen är adiabatisk [utan värmeöverföring] och anisotropisk [varierar i storlek när den mäts i olika riktningar], säger Mariano de Souza, professor vid institutionen för fysik vid São Paulo State University (UNESP) i Rio Claro, Brasilien. "Grundläggande begrepp inom termodynamiken tillåter oss att dra slutsatsen att adiabatisk expansion alltid åtföljs av kylning på grund av den barokaloriska effekten [tryckinducerad termisk förändring], som kvantifieras av Grüneisen-förhållandet [Γ, gamma]."
1908 föreslog den tyske fysikern Eduard August Grüneisen (1877–1949) ett matematiskt uttryck för Γeff , den effektiva Grüneisen-parametern, en viktig storhet inom geofysik som ofta förekommer i ekvationer som beskriver materialets termoelastiska beteende. Den kombinerar tre fysiska egenskaper:expansionskoefficient, specifik värme och isotermisk kompressibilitet.
Nästan ett sekel senare, 2003, visade Lijun Zhu och medarbetare att en specifik del av Grüneisen-parametern som kallas Grüneisen-kvoten, definierad som förhållandet mellan termisk expansion och specifik värme, ökar avsevärt i närheten av en kvantkritisk punkt på grund av ackumulering av entropi. 2010 visade Souza och två tyska medarbetare att samma sak händer nära en kritisk punkt med ändlig temperatur.
Nu har Souza och andra forskare vid UNESP använt parametern Grüneisen för att beskriva invecklade aspekter av universums expansion i en artikel publicerad i tidskriften Results in Physics , presenterar en del av Ph.D. forskning av försteförfattaren Lucas Squillante, för närvarande postdoktor under Souzas handledning.
"Dynamiken förknippad med universums expansion modelleras generellt som en perfekt vätska vars tillståndsekvation är ω =p/ρ, där ω [omega] är ekvationen för tillståndsparametern, p är tryck och ρ [rho] är Även om ω används i stor utsträckning, hade dess fysiska betydelse ännu inte diskuterats som enbart en konstant för varje era av universum Grüneisen-parametern med hjälp av Mie-Grüneisens tillståndsekvation," sa Souza.
Mie–Grüneisens tillståndsekvation relaterar till tryck, volym och temperatur, och används ofta för att bestämma trycket i en stötkomprimerad fast substans.
Författarna visar, med hjälp av Grüneisen-parametern, att kontinuerlig nedkylning av universum är associerad med en barokalorisk effekt som relaterar tryck och temperatur och uppstår på grund av adiabatisk expansion av universum. På grundval av detta föreslår de att Grüneisen-parametern är tidsberoende i den mörka energidominerade eran (den nuvarande universumets era).
En av de intressanta aspekterna av denna forskning är dess användning av termodynamik och fasta tillståndsfysikbegrepp som stress och spänning för att beskriva universums anisotropiska expansion. "Vi visar att Grüneisen-parametern är naturligt förkroppsligad i energi-momentumspänningstensorn i Einsteins berömda fältekvationer, vilket öppnar upp ett nytt sätt att undersöka anisotropa effekter associerade med universums expansion. Dessa utesluter inte möjligheten av en Big Rip," sa Souza.
The Big Rip-hypotesen, som först lades fram 2003 i en artikel publicerad i Physical Review Letters , hävdar att om mängden mörk energi är tillräcklig för att accelerera universums expansion bortom en kritisk hastighet, kan detta riva sönder rymdtidens "tyg" och slita isär universum.
"Också i perspektivet av Grüneisen-parametern antar vi att skiftet från en bromsande expansionsregim [i strålnings- och materiedominerade epoker] till en accelererande expansionsregim [i den mörka energidominerade eran] liknar en termodynamisk fasövergång. Detta beror på att Γeff byter tecken när expansionen ändras från bromsande till accelererande. Teckenförändringen liknar den typiska signaturen för fasövergångar i den kondenserade materiens fysik," sa Souza.
Mörk energi förknippas ofta med den kosmologiska konstanten Λ [lambda], som ursprungligen introducerades av Einstein 1917 som en frånstötande kraft som krävs för att hålla universum i statisk jämvikt. Einstein avvisade senare konceptet, enligt vissa konton. Den rehabiliterades när universums expansion visade sig accelerera istället för att bromsa. Den hegemoniska modellen, känd som Λ-CMD (Lambda-Cold Dark Matter), ger den kosmologiska konstanten ett fast värde. Det vill säga, det antar att densiteten av mörk energi förblir konstant när universum expanderar. Andra modeller antar dock att densiteten för mörk energi, och därmed Λ, varierar över tiden.
"Att tilldela ett fast värde till lambda innebär också att tilldela ett fast värde till omega, men igenkännandet av ω som den effektiva Grüneisen-parametern gör det möjligt för oss att sluta sig till tidsberoende för ω när universum expanderar i den mörka energidominerade eran. Detta medför direkt tidsberoende. för Λ, eller den universella gravitationskonstanten," sa Souza.
Studien kan leda till viktiga utvecklingar i den mån den ger en glimt av en ny tolkning av universums expansion i termer av termodynamik och fysik av kondenserad materia.
Förutom Souza och Squillante är de andra medförfattarna till artikeln Antonio Seridonio (UNESP Ilha Solteira), Roberto Lagos-Monaco (UNESP Rio Claro), Gabriel Gomes (Institute of Astronomy, Geophysics and Atmospheric Sciences, University of São Paulo, IAG -USP), Guilherme Nogueira (UNESP Rio Claro) och Ph.D. kandidat Isys Mello, övervakad av Souza.
Mer information: Lucas Squillante et al, Utforska universums expansion med Grüneisen-parametern, Results in Physics (2024). DOI:10.1016/j.rinp.2024.107344
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av FAPESP
