L’idea dell’espansione dellUniverso risale a quasi un secolo fa. È stata proposta per la prima volta dal cosmologo belga Georges Lemaître (1894-1966) nel 1927 e confermata mediante osservazioni dall’astronomo americano Edwin Hubble (1889-1953) due anni dopo. Hubble ha osservato che lo spostamento verso il rosso nello spettro elettromagnetico della luce ricevuta dagli oggetti celesti è direttamente proporzionale alla loro distanza dalla Terra, il che significa che i corpi più lontani dalla Terra si allontanano più velocemente e l’Universo deve essere in espansione.
Espansione dell’Universo in termini di termodinamica
Una nuova e fondamentale informazione è stata aggiunta al modello nel 1998, quando le osservazioni di supernovae molto distanti da parte del Supernova Cosmology Project e dell’High-Z Supernova Search Team hanno mostrato che l’Universo, mentre si espande,accelera anziché essere rallentato dalle forze gravitazionali.
Questa scoperta ha portato al concetto di energia oscura, che si ritiene rappresenti oltre il 68% di tutta l’energia nell’Universo attualmente osservabile, mentre la materia oscura e la materia ordinaria rappresentano rispettivamente circa il 27% e il 5%.
“Le misurazioni del redshift suggeriscono che l’espansione dell’Universo accelerata è adiabatica, e cioè senza trasferimento di calore, e anisotropa, e cioè di grandezza variabile quando misurata in direzioni diverse“, ha dichiarato Mariano de Souza, Professore presso il Dipartimento di Fisica dell’Università Statale di San Paolo (UNESP) a Rio Claro, Brasile.
“I concetti fondamentali della termodinamica ci permettono di dedurre che l’espansione dell’Universo adiabatica è sempre accompagnata da un raffreddamento dovuto all’effetto barocalorico, il cambiamento termico indotto dalla pressione, che è quantificato dal rapporto di Grüneisen (Γ, gamma)“.
Nel 1908, il fisico tedesco Eduard August Grüneisen (1877-1949) ha proposto un’espressione matematica per Γ eff , il parametro di Grüneisen effettivo, una quantità importante in geofisica che spesso ricorre nelle equazioni che descrivono il comportamento termoelastico del materiale. Combina tre proprietà fisiche: coefficiente di dilatazione, calore specifico e comprimibilità isotermica.
Quasi un secolo dopo, nel 2003, Lijun Zhu e collaboratori hanno dimostrato che una parte specifica del parametro di Grüneisen chiamata rapporto di Grüneisen, definito come il rapporto tra espansione termica e calore specifico, aumenta significativamente in prossimità di un punto critico quantistico a causa della accumulo di entropia. Nel 2010, Souza e due collaboratori tedeschi hanno dimostrato che la stessa cosa accade vicino a un punto critico a temperatura finita.
Souza e altri ricercatori dell’UNESP hanno utilizzato il parametro Grüneisen per descrivere aspetti complessi dell’espansione dell’Universo in uno studio pubblicato sulla rivista Results in Physics, presentati dal primo autore Lucas Squillante, attualmente ricercatore post-dottorato sotto la supervisione di Souza.
“Le dinamiche associate all’espansione dell’Universo sono generalmente modellate come un fluido perfetto la cui equazione di stato è ω = p/ρ, dove ω [omega] è il parametro dell’equazione di stato, p è la pressione e ρ [rho] è densità di energia Sebbene ω sia ampiamente utilizzato, il suo significato fisico non è stato ancora adeguatamente discusso. È stato trattato semplicemente come una costante per ogni era dell’Universo. Uno dei risultati importanti della ricerca è l’identificazione di ω con l’effettivo Parametro Grüneisen mediante l’equazione di stato Mie-Grüneisen“, ha spiegato Souza.
Il parametro di Grüneisen
L’equazione di stato di Mie-Grüneisen si riferisce alla pressione, al volume e alla temperatura e viene spesso utilizzata per determinare la pressione in un solido compresso d’urto.
Gli autori hanno dimostrato, utilizzando il parametro di Grüneisen, che il raffreddamento continuo dell’Universo è associato a un effetto barocalorico che mette in relazione pressione e temperatura e si verifica a causa dell’espansione dell’Universo adiabatica. Su questa base, gli studiosi hannk proposto che il parametro di Grüneisen sia dipendente dal tempo nell’era dominata dall’energia oscura (l’attuale era dell’Universo).
Uno degli aspetti interessanti di questa ricerca sull’ espansione dell’Universo è l’uso della termodinamica e di concetti di fisica dello stato solido come stress e deformazione per descrivere l’espansione dell’Universo anisotropa.
“Mostriamo che il parametro di Grüneisen è naturalmente incorporato nel tensore dello stress energia-impulso nelle famose equazioni di campo di Einstein, aprendo un nuovo modo per studiare gli effetti anisotropi associati all’espansione dell’Universo. Questi non escludono la possibilità di un Big Rip“, ha specificato Souza.
L’ipotesi del Big Rip, avanzata per la prima volta nel 2003 in uno studio pubblicato su Physical Review Letters, presuppone che se la quantità di energia oscura fosse sufficiente ad accelerare l’espansione dell’Universo oltre una velocità critica, questa potrebbe lacerare il “tessuto” dello Spazio-Temo e fare a pezzi l’Universo stesso.
“Anche nella prospettiva del parametro di Grüneisen, congetturiamo che il passaggio da un regime di espansione dell’Universo decelerante, nelle ere dominate dalla radiazione e dalla materia, a un regime di espansione accelerata, nell’era dominata dall’energia oscura, assomigli ad una transizione di fase termodinamica. Questo perché Γ eff cambia segno quando l’espansione passa da decelerazione ad accelerazione. Il cambiamento di segno assomiglia alla firma tipica delle transizioni di fase nella fisica della materia condensata”, ha aggiunto Souza.
Conclusioni
L’energia oscura è spesso associata alla costante cosmologica Λ (lambda), originariamente introdotta da Einstein nel 1917 come forza repulsiva necessaria per mantenere l’Universo in equilibrio statico. Secondo alcuni resoconti, Einstein in seguito ha rifiutato questo concetto, che è stato riabilitato quando si è scoperto che l’espansione dell’Universo stava accelerando invece di decelerare.
Il modello egemonico, noto come Λ-CMD (Lambda-Cold Dark Matter), attribuisce alla costante cosmologica un valore fisso. Si presuppone cioè che la densità dell’energia oscura rimanga costante mentre l’Universo si espande. Altri modelli tuttavia presuppongono che la densità dell’energia oscura, e quindi Λ, vari nel tempo.
“Assegnare un valore fisso a lambda significa anche assegnare un valore fisso a omega, ma il riconoscimento di ω come parametro di Grüneisen effettivo ci consente di dedurre la dipendenza dal tempo per ω mentre l’Universo si espande nell’era dominata dall’energia oscura. Questo implica direttamente la dipendenza dal tempo per Λ, o la costante di gravitazione universale,” ha concluso Souza.
Lo studio potrebbe portare a importanti sviluppi in quanto lascia intravedere una nuova interpretazione dell’espansione dell’Universo in termini di termodinamica e fisica della materia condensata.
