Estudo de brasileiros explica taxa de expansão do universo

Compreender a expansão acelerada do universo, impulsionada pela misteriosa energia escura, é um dos grandes desafios da astronomia moderna. Um estudo publicado por pesquisadores da Universidade Estadual Paulista (UNESP) pode ajudar nessa busca, propondo usar conceitos da termodinâmica para descrever o fenômeno.

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A ideia da expansão do universo foi proposta pela primeira vez em 1927 por Georges Lemaître, astrônomo e padre que apresentou ao mundo o conceito do Big Bang. Dois anos mais tarde, Edwin Hubble confirmou a ideia ao observar que as galáxias mais distantes estavam se afastando de nós.

Desde então, os astrônomos usaram uma constante para descrever a taxa da expansão, inicialmente medida pelo próprio Hubble com grande grau de incerteza. Hoje, há medições muito mais precisas, porém ainda divergentes entre si.

Em 1998, os astrônomos descobriram que a expansão estava acelerando, levando à conclusão que a constante de Hubble não era exatamente uma constante, mas uma taxa que muda conforme o tempo. Isso levou ao conceito de energia escura, a força invisível que acelera a expansão.

Contudo, ninguém sabe ainda o que exatamente é a energia escura, então há um grande debate e diferentes hipóteses apresentadas para tentar explicar esse mistério. O novo estudo propõe que a mudança da taxa de expansão ao longo do tempo se assemelha a uma transição de fase termodinâmica.

As medidas atuais indicam que a expansão é adiabática e anisotrópica, ou seja, sem troca de calor e desigual em diferentes regiões do universo. “Conceitos fundamentais da termodinâmica permitem inferir que toda expansão adiabática é acompanhada de um resfriamento”, disse o Dr. Mariano de Souza da Unesp, líder do estudo.

Mesmo que um sistema em expansão não experimente troca de calor com o ambiente, ocorre um resfriamento devido à perda de energia interna utilizada no trabalho de expansão. O oposto também é verdade: se o sistema se contrai adiabaticamente, o trabalho resulta em aumento de energia e, por consequência, de temperatura.

Essa relação entre expansão adiabática e resfriamento é conhecida como efeito barocalórico, e pode ser quantificada por algo conhecido como razão de Grüneisen. O que os pesquisadores da UNESP fizeram foi aplicar o parâmetro de Grüneisen efetivo para descrever aspectos da expansão do universo.

Segundo Souza, isso “proporciona uma nova maneira de se investigar efeitos anisotrópicos associados à expansão do universo”. Sua equipe conjectura 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”.

O artigo demonstra que o parâmetro de Grüneisen efetivo “muda de sinal quando a expansão do universo muda de desacelerada para acelerada. Tal mudança de sinal assemelha-se à assinatura típica de transições de fase na física da matéria condensada”, completou Souza.

Se isso for verdadeiro, significa que a constante cosmológica (representada por LAMBDA, ou Λ) usada no modelo Λ-CMD (Lambda-Cold Dark Matter) tem um valor variável, ao contrário do modelo atual que confere a Λ um valor fixo. Em outras palavras, Λ ganha uma dependência temporal.

Em comentário ao Canaltech, Souza explicou que isso "implica que a densidade de energia da energia escura também varia no tempo, impactando diretamente a aceleração da expansão do universo". Se a densidade de energia escura é variável, então "a aceleração de expansão também poderá não será constante".

A pesquisa pode ajudar os cientistas a finalmente resolver o problema das medições da taxa de expansão do universo. "A possível dependência temporal de Λ pode ajudar a compreender o motivo das medições divergentes na chamada tensão de Hubble", disse Souza.

Outro aspecto destacado pelo líder da pesquisa é a possível expansão anisotrópica. Ele explicou que, no modelo atual, a expansão considerada esferosimétrica, ou seja, igual em todas as direções do universo. Porém, o resultado da abordagem do novo estudo sugere certa desigualdade.

Por fim, Souza acredita que os resultados de sua equipe estão de acordo com as análises do mapeamento de galáxias em 3D feito pelo DESI. Embora aquela pesquisa ainda esteja apenas começando, a equipe do DESI afirma ter encontrado sugestões "de que a energia escura está evoluindo ao longo do tempo".

Essa afirmação ainda é apenas uma suspeita e exigirá estudo para seja confirmada, mas Souza acredita que "esta frase pode estar associada com a nossa proposta de uma constante cosmológica dependente do tempo e também com uma possível anisotropia na expansão do universo". 

O estudo dos brasileiros foi publicado no Results in Physics.

Fonte: ScienceDirect, FAPESP