Aplican conceptos termodinámicos en un estudio que describe la expansión del Universo

El cambio de un régimen de expansión desacelerada (en la era dominada por la radiación y la materia) a un régimen de expansión acelerada (en la era dominada por la energía oscura) se asemejaría a una transición de fase termodinámica, según lo sugieren científicos de la Universidade Estadual Paulista (Brasil) en la revista Results in Physics

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – La idea de la expansión del universo tiene casi un siglo. El belga Georges Lemaître (1894-1966), teorizó en el año 1927 la proposición que indica que las galaxias distantes se están alejando de la Tierra y que la velocidad de su alejamiento crece con la distancia, lo que dos años después se confirmó con las observaciones del estadounidense Edwin Hubble (1889-1953). Dicha confirmación la suministró el redshift (el desplazamiento hacia el rojo) del espectro de la radiación electromagnética que se percibe, proveniente desde esos objetos lejanos.

En 1998, a este modelo se le añadió un nuevo y sorprendente ingrediente. Observaciones de estrellas supernovas muy lejanas, realizadas en el marco del Supernova Cosmology Project, y también a cargo del High-Z Supernova Search Team, demostraron que la expansión del universo se estaba acelerando, y no retardándose debido al efecto gravitacional, tal como se suponía. Este descubrimiento derivó en el concepto de energía oscura, que se presume que aporta más del 68 % de la energía total del actual universo observable, en tanto que la materia oscura y la materia común contribuyen con un 26 % y un 5 % aproximadamente.

“Las medidas de redshift apuntan una expansión acelerada adiabática [es decir, sin intercambio de calor] y anisotrópica [que no es idéntica en todas las direcciones]”, dice Mariano de Souza, docente del Departamento de Física del Instituto de Geociencias y Ciencias Exactas de la Universidade Estadual Paulista (Unesp), en su campus de la localidad de Rio Claro, en Brasil. Y el investigador prosigue: “Los conceptos fundamentales de la termodinámica hacen posible inferir que toda expansión adiabática está acompañada de un enfriamiento, en el efecto barocalórico [capaz de generar calor cuando se lo somete a una presión] que se cuantifica mediante la denominada razón de Grüneisen.”

Cabe aquí suministrar alguna información. En 1908, el físico alemán Eduard August Grüneisen (1877-1949) formuló una expresión matemática referente al denominado parámetro efectivo de Grüneisen, Γeff, que relaciona tres propiedades físicas de un material: el coeficiente de expansión térmica, el calor específico y la compresibilidad isotérmica. Casi un siglo después, en el año 2003, Lijun Zhu y sus colaboradores demostraron que la parte singular de Γeff, denominada “razón de Grüneisen”, definida como la razón entre el coeficiente de expansión térmica y el calor específico, aumenta significativamente en las inmediaciones de un punto crítico cuántico debido a la acumulación de entropía. En 2010, Mariano de Souza y sus colaboradores demostraron que sucede lo propio para un punto crítico a temperatura finita.

En un artículo reciente, publicado en el periódico científico Results in Physics, los investigadores de la Unesp liderados por De Souza utilizaron el parámetro de Grüneisen para describir aspectos intrincados relacionados con la expansión del Universo. Este trabajo es uno de los resultados de la investigación doctoral de Lucas Squillante, el autor principal, quien actualmente lleva adelante un posdoctorado bajo la supervisión de De Souza.

“Generalmente se describe la dinámica asociada a la expansión del universo mediante el modelo de un fluido perfecto cuya ecuación de estado es ω = p/ρ, en donde ω [omega] es el denominado parámetro de la ecuación de estado, p [pe] la presión y ρ [ro] la densidad de energía. Si bien se la emplea ampliamente, el significado físico de ω aún no se había debatido de manera apropiada. En otras palabras, se trataba a ω únicamente como una constante para cada era del universo. Uno de los resultados importantes de nuestro trabajo consiste en la identificación de ω con el parámetro efectivo de Grüneisen mediante la ecuación de estado de Mie-Grüneisen”, explica De Souza.

Al emplear el parámetro de Grüneisen, los científicos demostraron que el enfriamiento continuo del universo está asociado a un efecto barocalórico, es decir, que relaciona la presión con la temperatura. A su vez, este efecto ocurre debido a la expansión adiabática del universo. Desde esta perspectiva, postularon entonces que, en la era dominada por la energía oscura, en la cual nos encontramos actualmente, el parámetro de Grüneisen depende del tiempo.

Uno de los aspectos interesantes de este trabajo reside en que se vale de conceptos de la termodinámica y de la física del estado sólido, como stress (tensión) y strain (deformación), para describir la expansión anisotrópica del universo. “Demostramos que el parámetro de Grüneisen está naturalmente incluido en el tensor de stress energía-momento presente en las celebradas ecuaciones de campo de Einstein, lo que suministra una nueva manera de investigar los efectos anisotrópicos asociados a la expansión del universo. Estos no excluyen el escenario de un posible Big Rip”, afirma De Souza.

La hipótesis del Big Rip (el Gran Desgarro) se postuló por primera vez en el año 2003, en un artículo publicado en Physical Review Letters. La misma sostiene que si la cantidad de energía oscura es suficiente como para acelerar la expansión del universo más allá de una velocidad crítica, podrá provocar un desgarro en el “tejido” del espacio-tiempo.

“También desde la perspectiva del parámetro de Grüneisen, conjeturamos que el cambio de un régimen de expansión desacelerada [en la era dominada por la radiación y la materia] hacia un régimen de expansión acelerada [en la era dominada por la energía oscura] se asemeja a una transición de fase termodinámica. Sucede que demostramos que Γeff cambia de signo cuando la expansión del universo se altera de desacelerada a acelerada. Tal cambio de signo se asemeja la firma típica de las transiciones de fase en la física de la materia condensada”, añade De Souza.

Tal como se sabe, la energía oscura fue asociada a la constante cosmológica Λ [lambda]. Primero postulada y luego rechazada por Einstein, dicha constante cosmológica fue rehabilitada cuando se descubrió que la expansión del universo estaba acelerándose en lugar de desacelerarse. El modelo hegemónico, denominado Λ-CMD (Lambda-Cold Dark Matter), dota a la constante cosmológica de un valor fijo. En otras palabras, supone que la densidad de la energía oscura se mantiene constante a medida que el universo se expande. Pero existen otros modelos que postulan que la densidad de la energía oscura, y por consiguiente Λ, varían en el tiempo.

“La adjudicación de un valor fijo a lambda equivale a atribuirle también un valor fijo a omega. Pero el reconocimiento de ω como el parámetro efectivo de Grüneisen permite inferir una dependencia temporal de ω a medida que el universo se expande en la era dominada por la energía oscura. Y esto redunda directamente en una dependencia temporal de Λ o de la constante universal de gravitación”, subraya De Souza. Tal como puede notarse, este estudio abre una nueva vía de interpretación de la expansión del universo desde la óptica de la termodinámica y de conceptos de la física de la materia condensada, y puede tener importantes desdoblamientos.

Aparte de De Souza y Squillante, participaron en este trabajo los investigadores Antonio Seridonio (de la Unesp del campus de Ilha Solteira), Roberto Lagos-Monaco (de la Unesp del campus de Rio Claro), Gabriel Gomes (del Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas de la Universidad de São Paulo, IAG-USP), Guilherme Nogueira (de la Unesp del campus de Rio Claro) y la doctoranda Isys Mello, dirigida por De Souza.

Este estudio contó con el apoyo de la FAPESP en el marco de dos proyectos (11/22050-4 y 18/09413-0).

Puede accederse a la lectura del artículo intitulado Exploring the expansion of the universe using the Grüneisen parameter en el siguiente enlace: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211379724000263?via%3Dihub.