En 1998 se añadió al modelo un ingrediente nuevo y sorprendente, cuando las observaciones de supernovas muy distantes realizadas por el Supernova Cosmology Project y el High-Z Supernova Search Team demostraron que el universo se está acelerando a medida que se expande, en lugar de ser frenado por fuerzas gravitacionales, como lo hacen las fuerzas gravitacionales. se había supuesto. Este descubrimiento condujo al concepto de energía oscura, que se cree que representa más del 68% de toda la energía en el universo actualmente observable, mientras que la materia oscura y la materia ordinaria representan aproximadamente el 27% y el 5% respectivamente.

"Las mediciones del corrimiento al rojo sugieren que la expansión acelerada es adiabática [sin transferencia de calor] y anisotrópica [que varía en magnitud cuando se mide en diferentes direcciones]", dijo Mariano de Souza, profesor del Departamento de Física de la Universidad Estadual Paulista (Unesp). en Río Claro, Brasil. "Los conceptos fundamentales en termodinámica nos permiten inferir que la expansión adiabática siempre va acompañada de un enfriamiento debido al efecto barocalórico [cambio térmico inducido por la presión], que se cuantifica mediante el índice de Grüneisen [Γ, gamma]."

En 1908, el físico alemán Eduard August Grüneisen (1877-1949) propuso una expresión matemática para Γ_eff , el parámetro de Grüneisen efectivo, una cantidad importante en geofísica que a menudo aparece en ecuaciones que describen el comportamiento termoelástico del material. Combina tres propiedades físicas:coeficiente de expansión, calor específico y compresibilidad isotérmica.

Casi un siglo después, en 2003, Lijun Zhu y sus colaboradores demostraron que una parte específica del parámetro Grüneisen llamada relación de Grüneisen, definida como la relación entre la expansión térmica y el calor específico, aumenta significativamente en las proximidades de un punto crítico cuántico debido a la acumulación de entropía. En 2010, Souza y dos colaboradores alemanes demostraron que ocurre lo mismo cerca de un punto crítico de temperatura finita.

Ahora Souza y otros investigadores de la Unesp utilizaron el parámetro Grüneisen para describir aspectos intrincados de la expansión del universo en un artículo publicado en la revista Results in Physics , presentando parte del Ph.D. investigación del primer autor Lucas Squillante, actualmente becario postdoctoral bajo la supervisión de Souza.

"La dinámica asociada con la expansión del universo generalmente se modela como un fluido perfecto cuya ecuación de estado es ω =p/ρ, donde ω [omega] es la ecuación del parámetro de estado, p es la presión y ρ [rho] es densidad de energía. Aunque ω se usa ampliamente, su significado físico aún no se había discutido adecuadamente. Se trató simplemente como una constante para cada era del universo. Uno de los resultados importantes de nuestra investigación es la identificación de ω con la efectiva. parámetro de Grüneisen mediante la ecuación de estado de Mie-Grüneisen", afirmó Souza.

La ecuación de estado de Mie-Grüneisen se relaciona con la presión, el volumen y la temperatura, y a menudo se usa para determinar la presión en un sólido comprimido por choque.

Los autores muestran, utilizando el parámetro Grüneisen, que el enfriamiento continuo del universo está asociado con un efecto barocalórico que relaciona la presión y la temperatura y se produce debido a la expansión adiabática del universo. Sobre esta base, proponen que el parámetro Grüneisen depende del tiempo en la era dominada por la energía oscura (la actual era del universo).

Uno de los aspectos interesantes de esta investigación es el uso de conceptos de termodinámica y física del estado sólido, como tensión y deformación, para describir la expansión anisotrópica del universo. "Demostramos que el parámetro Grüneisen está incorporado naturalmente en el tensor de tensión energía-momento en las famosas ecuaciones de campo de Einstein, abriendo una nueva forma de investigar los efectos anisotrópicos asociados con la expansión del universo. Estos no descartan la posibilidad de una Gran Rip", dijo Souza.

La hipótesis del Big Rip, presentada por primera vez en 2003 en un artículo publicado en Physical Review Letters , postula que si la cantidad de energía oscura es suficiente para acelerar la expansión del universo más allá de una velocidad crítica, esto podría romper el "tejido" del espacio-tiempo y desgarrar el universo.

"También en la perspectiva del parámetro Grüneisen, conjeturamos que el cambio de un régimen de expansión desacelerante [en las eras dominadas por la radiación y la materia] a un régimen de expansión acelerado [en la era dominada por la energía oscura] se asemeja a una transición de fase termodinámica. Esto se debe a que Γ_ef cambia de signo cuando la expansión pasa de desacelerarse a acelerarse. El cambio de signo se asemeja a la firma típica de las transiciones de fase en la física de la materia condensada", dijo Souza.

La energía oscura se asocia a menudo con la constante cosmológica Λ [lambda], introducida originalmente por Einstein en 1917 como una fuerza repulsiva necesaria para mantener el universo en equilibrio estático. Más tarde, Einstein rechazó el concepto, según algunos relatos. Fue rehabilitado cuando se descubrió que la expansión del universo se estaba acelerando en lugar de desacelerarse. El modelo hegemónico, conocido como Λ-CMD (Lambda-Cold Dark Matter), da a la constante cosmológica un valor fijo. Es decir, supone que la densidad de la energía oscura permanece constante a medida que el universo se expande. Sin embargo, otros modelos suponen que la densidad de la energía oscura, y por tanto Λ, varía con el tiempo.

"Asignar un valor fijo a lambda significa también asignar un valor fijo a omega, pero el reconocimiento de ω como el parámetro de Grüneisen efectivo nos permite inferir la dependencia del tiempo para ω a medida que el universo se expande en la era dominada por la energía oscura. Esto implica directamente dependencia del tiempo para Λ, o la constante de gravitación universal", dijo Souza.

El estudio podría conducir a avances importantes en la medida en que permite vislumbrar una nueva interpretación de la expansión del universo en términos de termodinámica y física de la materia condensada.

Además de Souza y Squillante, los otros coautores del artículo son Antonio Seridonio (UNESP Ilha Solteira), Roberto Lagos-Monaco (UNESP Rio Claro), Gabriel Gomes (Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas, Universidad de São Paulo, IAG -USP), Guilherme Nogueira (UNESP Río Claro) y Ph.D. candidata Isys Mello, supervisada por Souza.