Die Studie nutzt die Thermodynamik, um die Expansion des Universums zu beschreiben

Die Idee, dass sich das Universum ausdehnt, stammt aus der Zeit vor fast einem Jahrhundert. Es wurde erstmals 1927 vom belgischen Kosmologen Georges Lemaître (1894–1966) vorgeschlagen und zwei Jahre später vom amerikanischen Astronomen Edwin Hubble (1889–1953) durch Beobachtungen bestätigt. Hubble beobachtete, dass die Rotverschiebung im elektromagnetischen Spektrum des von Himmelsobjekten empfangenen Lichts direkt proportional zu ihrer Entfernung von der Erde war, was bedeutete, dass sich weiter von der Erde entfernte Körper schneller entfernten und das Universum sich ausdehnen musste.

Eine überraschende neue Zutat wurde dem Modell 1998 hinzugefügt, als Beobachtungen sehr weit entfernter Supernovae durch das Supernova Cosmology Project und das High-Z Supernova Search Team zeigten, dass das Universum bei seiner Expansion beschleunigt und nicht durch Gravitationskräfte verlangsamt wird war vermutet worden. Diese Entdeckung führte zum Konzept der Dunklen Energie, die vermutlich mehr als 68 % der gesamten Energie im derzeit beobachtbaren Universum ausmacht, während dunkle Materie und gewöhnliche Materie etwa 27 % bzw. 5 % ausmachen.

„Messungen der Rotverschiebung deuten darauf hin, dass die beschleunigte Expansion adiabatisch ist [without heat transfer] und anisotrop [varying in magnitude when measured in different directions]„, sagte Mariano de Souza, Professor am Fachbereich Physik der São Paulo State University (UNESP) in Rio Claro, Brasilien. „Grundlegende Konzepte der Thermodynamik lassen den Schluss zu, dass die adiabatische Expansion aufgrund des barokalorischen Effekts immer mit einer Abkühlung einhergeht.“ [pressure-induced thermal change]die durch das Grüneisen-Verhältnis quantifiziert wird [Γ, gamma].“

Im Jahr 1908 schlug der deutsche Physiker Eduard August Grüneisen (1877–1949) einen mathematischen Ausdruck für Γeff vor, den effektiven Grüneisen-Parameter, eine wichtige Größe in der Geophysik, die häufig in Gleichungen zur Beschreibung des thermoelastischen Verhaltens von Material vorkommt. Es vereint drei physikalische Eigenschaften: Ausdehnungskoeffizient, spezifische Wärme und isotherme Kompressibilität.

Fast ein Jahrhundert später, im Jahr 2003, gründeten Lijun Zhu und seine Mitarbeiter gezeigt dass ein bestimmter Teil des Grüneisen-Parameters, der als Grüneisen-Verhältnis bezeichnet wird und als Verhältnis von Wärmeausdehnung zu spezifischer Wärme definiert ist, in der Nähe eines quantenkritischen Punktes aufgrund der Ansammlung von Entropie deutlich zunimmt. Im Jahr 2010 gründeten Souza und zwei deutsche Mitarbeiter zeigte dass dasselbe in der Nähe eines kritischen Punktes endlicher Temperatur passiert.

Nun haben Souza und seine Kollegen an der UNESP den Grüneisen-Parameter verwendet, um in einem Artikel komplizierte Aspekte der Expansion des Universums zu beschreiben veröffentlicht im Tagebuch Ergebnisse in Physik, präsentiert einen Teil des Ph.D. Forschung des Erstautors Lucas Squillante, derzeit Postdoktorand unter Souzas Aufsicht.

„Die mit der Expansion des Universums verbundene Dynamik wird im Allgemeinen als eine perfekte Flüssigkeit modelliert, deren Zustandsgleichung ω = p/ρ ist, wobei ω [omega] ist der Parameter der Zustandsgleichung, p ist der Druck und ρ [rho] ist die Energiedichte. Obwohl ω weit verbreitet ist, wurde seine physikalische Bedeutung noch nicht ausreichend diskutiert. Es wurde lediglich als eine Konstante für jede Ära des Universums behandelt. „Eines der wichtigen Ergebnisse unserer Forschung ist die Identifizierung von ω mit dem effektiven Grüneisen-Parameter mittels der Mie-Grüneisen-Zustandsgleichung“, sagte Souza.

Die Mie-Grüneisen-Zustandsgleichung bezieht sich auf Druck, Volumen und Temperatur und wird häufig zur Bestimmung des Drucks in einem schockkomprimierten Feststoff verwendet.

Die Autoren zeigen anhand des Grüneisen-Parameters, dass die kontinuierliche Abkühlung des Universums mit einem barokalorischen Effekt verbunden ist, der Druck und Temperatur in Beziehung setzt und aufgrund der adiabatischen Expansion des Universums auftritt. Auf dieser Grundlage schlagen sie vor, dass der Grüneisen-Parameter im Zeitalter der dunklen Energie (dem Zeitalter des gegenwärtigen Universums) zeitabhängig ist.

Einer der interessanten Aspekte dieser Forschung ist die Verwendung thermodynamischer und festkörperphysikalischer Konzepte wie Spannung und Dehnung zur Beschreibung der anisotropen Expansion des Universums. „Wir zeigen, dass der Grüneisen-Parameter auf natürliche Weise im Energie-Impuls-Spannungstensor in Einsteins berühmten Feldgleichungen enthalten ist, was eine neue Möglichkeit zur Untersuchung anisotroper Effekte eröffnet, die mit der Expansion des Universums verbunden sind. Diese schließen die Möglichkeit eines… nicht aus Big Rip“, sagte Souza.

Die Big Rip-Hypothese wurde erstmals 2003 in einem Artikel in veröffentlicht Briefe zur körperlichen Untersuchunggeht davon aus, dass, wenn die Menge an dunkler Energie ausreicht, um die Expansion des Universums über eine kritische Geschwindigkeit hinaus zu beschleunigen, dies das „Gewebe“ der Raumzeit und das Universum zerreißen könnte.

„Auch im Hinblick auf den Grüneisen-Parameter vermuten wir, dass der Übergang von einem verlangsamten Expansionsregime erfolgt [in the radiation and matter-dominated eras] zu einem sich beschleunigenden Expansionsregime [in the dark energy-dominated era] ähnelt einem thermodynamischen Phasenübergang. Dies liegt daran, dass Γeff das Vorzeichen ändert, wenn die Expansion von der Verlangsamung zur Beschleunigung wechselt. „Der Vorzeichenwechsel ähnelt der typischen Signatur von Phasenübergängen in der Physik der kondensierten Materie“, sagte Souza.

Dunkle Energie wird oft mit der kosmologischen Konstante Λ in Verbindung gebracht [lambda], ursprünglich 1917 von Einstein als abstoßende Kraft eingeführt, die erforderlich ist, um das Universum im statischen Gleichgewicht zu halten. Einigen Berichten zufolge lehnte Einstein das Konzept später ab. Es wurde rehabilitiert, als sich herausstellte, dass die Expansion des Universums beschleunigt statt verlangsamt wurde. Das hegemoniale Modell, bekannt als Λ-CMD (Lambda-Cold Dark Matter), gibt der kosmologischen Konstante einen festen Wert. Das heißt, es wird davon ausgegangen, dass die Dichte der Dunklen Energie bei der Ausdehnung des Universums konstant bleibt. Andere Modelle gehen jedoch davon aus, dass die Dichte der dunklen Energie und damit Λ im Laufe der Zeit variieren.

„Lambda einen festen Wert zuzuweisen bedeutet auch, Omega einen festen Wert zuzuweisen, aber die Anerkennung von ω als effektiver Grüneisen-Parameter ermöglicht es uns, auf eine Zeitabhängigkeit für ω zu schließen, wenn sich das Universum in der von dunkler Energie dominierten Ära ausdehnt. Dies bringt direkt Zeitabhängigkeit mit sich.“ für Λ oder die universelle Gravitationskonstante“, sagte Souza.

Die Studie könnte zu wichtigen Entwicklungen führen, da sie einen Einblick in eine neuartige Interpretation der Expansion des Universums im Hinblick auf die Thermodynamik und die Physik der kondensierten Materie bietet.

Neben Souza und Squillante sind Antonio Seridonio (UNESP Ilha Solteira), Roberto Lagos-Monaco (UNESP Rio Claro) und Gabriel Gomes (Institut für Astronomie, Geophysik und Atmosphärenwissenschaften, Universität São Paulo, IAG) weitere Co-Autoren des Artikels -USP), Guilherme Nogueira (UNESP Rio Claro) und Ph.D. Kandidatin Isys Mello, betreut von Souza.