Wetenschap
Studie maakt gebruik van thermodynamica om de uitdijing van het universum te beschrijven
Het idee dat het heelal uitdijt dateert van bijna een eeuw geleden. Het werd voor het eerst naar voren gebracht door de Belgische kosmoloog Georges Lemaître (1894–1966) in 1927 en twee jaar later observationeel bevestigd door de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble (1889-1953). Hubble merkte op dat de roodverschuiving in het elektromagnetische spectrum van het licht dat werd ontvangen door hemellichamen recht evenredig was met hun afstand tot de aarde, wat betekende dat lichamen verder weg van de aarde sneller wegbewogen en dat het universum zich moest uitbreiden.
In 1998 werd een verrassend nieuw ingrediënt aan het model toegevoegd toen observaties van zeer verre supernova’s door het Supernova Cosmology Project en het High-Z Supernova Search Team aantoonden dat het heelal versnelt terwijl het uitdijt, in plaats van te worden afgeremd door zwaartekrachten. er werd verondersteld. Deze ontdekking leidde tot het concept van donkere energie, waarvan wordt gedacht dat deze verantwoordelijk is voor meer dan 68% van alle energie in het momenteel waarneembare universum, terwijl donkere materie en gewone materie respectievelijk ongeveer 27% en 5% voor hun rekening nemen.
"Metingen van de roodverschuiving suggereren dat de versnellende uitzetting adiabatisch is [zonder warmteoverdracht] en anisotroop [in grootte varieert wanneer gemeten in verschillende richtingen]", zegt Mariano de Souza, een professor aan de afdeling natuurkunde van de São Paulo State University (UNESP). in Rio Claro, Brazilië. "Fundamentele concepten in de thermodynamica stellen ons in staat te concluderen dat adiabatische expansie altijd gepaard gaat met afkoeling als gevolg van het barocalorische effect [door druk geïnduceerde thermische verandering], dat wordt gekwantificeerd door de Grüneisen-ratio [Γ, gamma]."
In 1908 stelde de Duitse natuurkundige Eduard August Grüneisen (1877–1949) een wiskundige uitdrukking voor Γeff voor , de effectieve Grüneisen-parameter, een belangrijke grootheid in de geofysica die vaak voorkomt in vergelijkingen die het thermo-elastische gedrag van materiaal beschrijven. Het combineert drie fysieke eigenschappen:uitzettingscoëfficiënt, soortelijke warmte en isotherme samendrukbaarheid.
Bijna een eeuw later, in 2003, toonden Lijun Zhu en medewerkers aan dat een specifiek deel van de Grüneisen-parameter, de Grüneisen-ratio genaamd, gedefinieerd als de verhouding tussen thermische uitzetting en soortelijke warmte, aanzienlijk toeneemt in de buurt van een kwantumkritisch punt als gevolg van de accumulatie van entropie. In 2010 hebben Souza en twee Duitse medewerkers aangetoond dat hetzelfde gebeurt in de buurt van een kritisch punt met een eindige temperatuur.
Nu hebben Souza en collega-onderzoekers van UNESP de Grüneisen-parameter gebruikt om ingewikkelde aspecten van de uitdijing van het universum te beschrijven in een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Results in Physics , die een deel van de Ph.D. onderzoek van eerste auteur Lucas Squillante, momenteel een postdoctoraal onderzoeker onder supervisie van Souza.
"De dynamiek die verband houdt met de uitdijing van het universum wordt over het algemeen gemodelleerd als een perfecte vloeistof waarvan de toestandsvergelijking ω =p/ρ is, waarbij ω [omega] de toestandsvergelijkingsparameter is, p de druk is en ρ [rho] de toestandsvergelijking is. energiedichtheid. Hoewel ω op grote schaal wordt gebruikt, is de fysieke betekenis ervan nog niet op passende wijze besproken. Het werd slechts als een constante voor elk tijdperk van het universum beschouwd. Een van de belangrijke resultaten van ons onderzoek is de identificatie van ω met de effectieve Grüneisen-parameter door middel van de Mie-Grüneisen-toestandsvergelijking,' zei Souza.
De toestandsvergelijking van Mie-Grüneisen heeft betrekking op druk, volume en temperatuur, en wordt vaak gebruikt om de druk in een door schokken samengeperste vaste stof te bepalen.
De auteurs laten met behulp van de Grüneisen-parameter zien dat de voortdurende afkoeling van het heelal gepaard gaat met een barocalorisch effect dat druk en temperatuur met elkaar in verband brengt en dat optreedt als gevolg van adiabatische uitdijing van het heelal. Op basis hiervan stellen zij voor dat de Grüneisen-parameter tijdsafhankelijk is in het door donkere energie gedomineerde tijdperk (het huidige universum-tijdperk).
Een van de interessante aspecten van dit onderzoek is het gebruik van concepten uit de thermodynamica en vaste-stoffysica, zoals spanning en rek, om de anisotrope uitdijing van het universum te beschrijven. ‘We laten zien dat de Grüneisen-parameter op natuurlijke wijze belichaamd is in de energie-momentumspanningstensor in de beroemde veldvergelijkingen van Einstein, waardoor een nieuwe manier wordt geopend om anisotrope effecten te onderzoeken die verband houden met de uitdijing van het universum. Deze sluiten de mogelijkheid van een Big Rip," zei Souza.
De Big Rip-hypothese, voor het eerst naar voren gebracht in 2003 in een artikel gepubliceerd in Physical Review Letters , stelt dat als de hoeveelheid donkere energie voldoende is om de uitdijing van het heelal tot boven een kritische snelheid te versnellen, dit het 'weefsel' van de ruimte-tijd zou kunnen scheuren en het heelal uit elkaar zou kunnen scheuren.
"Ook vanuit het perspectief van de Grüneisen-parameter vermoeden we dat de verschuiving van een vertragend expansieregime [in de door straling en materie gedomineerde tijdperken] naar een versnellend expansieregime [in het door donkere energie gedomineerde tijdperk] lijkt op een thermodynamische faseovergang. Dit komt omdat Γeff verandert van teken wanneer de uitzetting verandert van vertragend naar versnellend. De tekenverandering lijkt op de typische signatuur van faseovergangen in de fysica van de gecondenseerde materie”, aldus Souza.
Donkere energie wordt vaak geassocieerd met de kosmologische constante Λ [lambda], oorspronkelijk geïntroduceerd door Einstein in 1917 als een afstotende kracht die nodig is om het universum in statisch evenwicht te houden. Volgens sommige verhalen verwierp Einstein het concept later. Het werd gerehabiliteerd toen bleek dat de uitdijing van het universum versnelde in plaats van vertraagde. Het hegemonische model, bekend als Λ-CMD (Lambda-Cold Dark Matter), geeft de kosmologische constante een vaste waarde. Dat wil zeggen, het veronderstelt dat de dichtheid van donkere energie constant blijft naarmate het universum uitdijt. Andere modellen gaan er echter van uit dat de dichtheid van donkere energie, en dus Λ, in de loop van de tijd varieert.
“Het toekennen van een vaste waarde aan lambda betekent ook het toekennen van een vaste waarde aan omega, maar de erkenning van ω als de effectieve Grüneisen-parameter stelt ons in staat om de tijdsafhankelijkheid voor ω af te leiden naarmate het universum uitdijt in het door donkere energie gedomineerde tijdperk. Dit brengt direct tijdsafhankelijkheid met zich mee. voor Λ, of de universele zwaartekrachtconstante,' zei Souza.
Het onderzoek zou tot belangrijke ontwikkelingen kunnen leiden, omdat het een glimp oplevert van een nieuwe interpretatie van de uitdijing van het heelal in termen van thermodynamica en fysica van de gecondenseerde materie.
Naast Souza en Squillante zijn de andere co-auteurs van het artikel Antonio Seridonio (UNESP Ilha Solteira), Roberto Lagos-Monaco (UNESP Rio Claro), Gabriel Gomes (Instituut voor Astronomie, Geofysica en Atmosferische Wetenschappen, Universiteit van São Paulo, IAG -USP), Guilherme Nogueira (UNESP Rio Claro) en Ph.D. kandidaat Isys Mello, begeleid door Souza.