Estudo científico da Unesp sobre redshift, radiação e energia escura foi publicado em Results in Physics, envolvendo projetos como Supernova Cosmology Project e High-Z Supernova Search Team. Inclui também pressão, temperatura e entropia.
A ciência da termodinâmica é fundamental para entender como a energia se comporta nos sistemas, permitindo prever seu comportamento e realizar cálculos precisos. Com base nas leis da termodinâmica, é possível determinar a direção em que os processos naturais ocorrem e avaliar a quantidade de energia envolvida em cada etapa.
A ciência térmica tem como objetivo estudar as propriedades da matéria em diferentes condições de temperatura e pressão, analisando como essas variáveis afetam o comportamento dos sistemas. Através da ciência térmica, é possível compreender como o calor é transferido entre os corpos e como ele influencia as transformações de energia em diferentes tipos de processos.
Expansão do Universo e a Contribuição da Termodinâmica
Tal confirmação foi proporcionada pelo redshift (desvio para o vermelho) do espectro da radiação eletromagnética recebida desses objetos longínquos. Em 1998, um novo e surpreendente ingrediente foi acrescentado ao modelo.
Um conjunto de observações de estrelas supernovas muito distantes, realizadas pelo SNCP (Supernova Cosmology Project) e pelo HZSST (High-Z Supernova Search Team), mostraram que a expansão do Universo estava se acelerando – e não sendo retardada por efeito gravitacional como se supunha.
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Leia Mais Nasa enviará foguetes para pesquisa durante o eclipse solar total de abril Água existiu em Marte por mais tempo do que se pensava, diz estudo Menor sistema estelar perto da Via Láctea pode estar dominado por matéria escura Essa descoberta levou ao conceito de energia escura, que supõe-se contribuir com mais de 68% da energia total do Universo observável atual, enquanto a matéria escura e a matéria comum contribuem com 26% e 5%, aproximadamente. Medidas de redshift apontam para uma expansão acelerada adiabática [isto é, sem troca de calor] e anisotrópica [que não é a mesma em todas as direções], diz Mariano de Souza, professor do Departamento de Física do Instituto de Geociências e Ciências Exatas da Universidade Estadual Paulista (Unesp), campus de Rio Claro.
E prossegue: Conceitos fundamentais da termodinâmica permitem inferir que toda expansão adiabática é acompanhada de um resfriamento, no efeito barocalórico [capaz de gerar calor quando submetido a pressão] que é quantificado pela chamada razão de Grüneisen. Cabem aqui algumas informações.
Em 1908, o físico alemão Eduard August Grüneisen (1877-1949) propôs uma expressão matemática para o denominado parâmetro de Grüneisen efetivo, Γeff, que relaciona três propriedades físicas de um material: o coeficiente de expansão térmica, o calor específico e a compressibilidade isotérmica. Quase um século depois, em 2003, Lijun Zhu e colaboradores demonstraram que a parte singular de Γeff, chamada ‘razão de Grüneisen’, definida como a razão entre o coeficiente de expansão térmica e o calor específico, aumenta expressivamente nas vizinhanças de um ponto crítico quântico devido ao acúmulo de entropia.
Em 2010, Mariano de Souza e colaboradores demonstraram que o mesmo ocorre para um ponto crítico a temperatura finita. Em artigo recente, publicado no periódico Results in Physics, os pesquisadores da Unesp liderados por Souza utilizaram o parâmetro de Grüneisen para descrever aspectos intricados relacionados à expansão do Universo.
O trabalho é um dos resultados da pesquisa de doutorado de Lucas Squillante, o primeiro autor, atualmente pós-doutorando sob supervisão de Souza. A dinâmica associada à expansão do Universo é geralmente descrita pelo modelo de um fluído perfeito, cuja equação de estado é dada por ω = p/ρ, onde ω [ômega] é o chamado parâmetro da equação de estado, p [pê] a pressão e ρ [rô] a densidade de energia.
Embora amplamente utilizado, o significado físico de ω ainda não havia sido discutido de forma apropriada. Ou seja, ω era tratado apenas como uma constante para cada era do Universo. Um dos resultados importantes de nosso trabalho é a identificação de ω com o parâmetro de Grüneisen efetivo, por meio da equação de estado de Mie-Grüneisen, explica Souza.
Os pesquisadores demonstraram, utilizando o parâmetro de Grüneisen, que o contínuo resfriamento do Universo está associado a um efeito barocalórico, isto é, que relaciona pressão e temperatura. Tal efeito, por sua vez, ocorre devido à expansão adiabática do Universo.
Associação do Parâmetro de Grüneisen com a Termodinâmica
Sob essa perspectiva, propuseram que, na era dominada pela energia escura, na qual atualmente nos encontramos, o parâmetro de Grüneisen depende do tempo.
Um dos aspectos interessantes desse trabalho é que utiliza conceitos da termodinâmica e da física do estado sólido, como stress (tensão) e strain (deformação), para descrever a expansão anisotrópica do Universo.
Demonstramos que o parâmetro de Grüneisen está naturalmente incluído no tensor de stress energia-momento presente nas celebradas equações de campo de Einstein – o que proporciona uma nova maneira de se investigar efeitos anisotrópicos associados à expansão do Universo. Estes não excluem o cenário de um possível Big Rip, afirma Souza.
A hipótese do Big Rip (Grande Ruptura) foi apresentada pela primeira vez em 2003, em artigo publicado em Physical Review Letters. Ela diz que, se a quantidade de energia escura for suficiente para acelerar a expansão do Universo além de uma velocidade crítica, isso poderá causar uma ruptura no ‘tecido’ do espaço-tempo.
Grüneisen e a Transição de Fase Termodinâmica
Ainda sob a perspectiva do parâmetro de Grüneisen, conjecturamos que a mudança de um regime de expansão desacelerada [na era dominada pela radiação e pela matéria] para um regime de expansão acelerada [na era dominada pela energia escura] se assemelha a uma transição de fase termodinâmica.
Isso porque demonstramos que Γeff muda de sinal quando a expansão do universo muda de desacelerada para acelerada. Tal mudança de sinal se assemelha à assinatura típica de transições de fase na física da matéria condensada, acrescenta Souza.
Como se sabe, a energia escura foi associada à constante cosmológica Λ [lambda]. Primeiro postulada e depois rejeitada por Einstein, a constante cosmológica foi reabilitada quando se descobriu que a expansão do Universo estava acelerando em vez de desacelerar. O modelo hegemônico, chamado de Λ-CMD(Lambda-Cold Dark Matter), confere à constante cosmológica um valor fixo. Isto é, supõe que a densidade da energia escura se mantenha constante à medida que o Universo expande.
Mas existem outros modelos que assumem que densidade da energia escura, e consequentemente Λ, variem no tempo. Atribuir um valor fixo para lambda equivale a atribuir também um valor fixo para ômega. Mas o reconhecimento de ω como o parâmetro de Grüneisen efetivo permite inferir uma dependência temporal de ω à medida que o Universo expande na era dominada pela energia escura.
E isso implica diretamente em uma dependência temporal de Λ ou da constante universal de gravitação, sublinha Souza.
Novas Perspectivas com a Termodinâmica no Estudo da Expansão do Universo
O estudo, como se percebe, abre uma nova via de interpretação da expansão do Universo sob a luz da termodinâmica e de conceitos da física da matéria condensada e pode vir a ter importantes desdobramentos. Além de Souza e Squillante, participaram do estudo os pesquisadores Antonio Seridonio (Unesp de Ilha Solteira), Roberto Lagos-Monaco (Unesp de Rio Claro), Gabriel Gomes (Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas da Universidade de São Paulo, IAG-USP), Guilherme Nogueira (Unesp de Rio Claro) e a doutoranda Isys Mello, orientanda de Souza.O trabalho recebeu apoio da FAPESP por meio de dois projetos (11/22050-4 e 18/09413-0).O artigo Exploring the expansion of the universe using the Grüneisen parameter pode ser acessado em: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0263?via%3Dihub.
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Fonte: © CNN Brasil
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