Un nuovo sorprendente ingrediente fu aggiunto al modello nel 1998, quando le osservazioni di supernovae molto distanti da parte del Supernova Cosmology Project e dell'High-Z Supernova Search Team mostrarono che l'universo sta accelerando mentre si espande, anziché essere rallentato dalle forze gravitazionali, come era stato supposto. 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 accelerata è adiabatica [senza trasferimento di calore] e anisotropa [di grandezza variabile quando misurata in direzioni diverse]," ha detto 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 adiabatica è sempre accompagnata da un raffreddamento dovuto all'effetto barocalorico [cambiamento termico indotto dalla pressione], che è quantificato dal rapporto di Grüneisen [Γ, gamma]."

Nel 1908, il fisico tedesco Eduard August Grüneisen (1877–1949) propose 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.

Ora Souza e altri ricercatori dell'UNESP hanno utilizzato il parametro Grüneisen per descrivere aspetti complessi dell'espansione dell'universo in un articolo pubblicato sulla rivista Results in Physics , presentando parte del Dottorato. ricerca del 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 nostra ricerca è l'identificazione di ω con l'effettivo Parametro Grüneisen mediante l'equazione di stato Mie-Grüneisen," ha detto Souza.

L'equazione di stato di Mie-Grüneisen è correlata alla pressione, al volume e alla temperatura e viene spesso utilizzata per determinare la pressione in un solido sottoposto a compressione d'urto.

Gli autori mostrano, 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 adiabatica dell'universo. Su questa base, propongono che il parametro Grüneisen sia dipendente dal tempo nell'era dominata dall'energia oscura (l'attuale era dell'universo).

Uno degli aspetti interessanti di questa ricerca è l’uso della termodinamica e di concetti di fisica dello stato solido come stress e deformazione per descrivere l’espansione anisotropa dell’universo. "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 Grande Rip", ha detto Souza.

L'ipotesi del Big Rip, avanzata per la prima volta nel 2003 in un articolo 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, ciò potrebbe lacerare il "tessuto" dello spazio-tempo e fare a pezzi l'universo.

"Anche nella prospettiva del parametro di Grüneisen, congetturiamo che il passaggio da un regime di espansione 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 decelerante ad accelerata. Il cambiamento di segno assomiglia alla tipica firma delle transizioni di fase nella fisica della materia condensata," ha detto Souza.

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 rifiutò il concetto. Fu riabilitato quando si scoprì 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. Tuttavia, altri modelli 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. Ciò implica direttamente la dipendenza dal tempo per Λ, o la costante di gravitazione universale," ha detto 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.

Oltre a Souza e Squillante, gli altri coautori dell'articolo sono Antonio Seridonio (UNESP Ilha Solteira), Roberto Lagos-Monaco (UNESP Rio Claro), Gabriel Gomes (Istituto di Astronomia, Geofisica e Scienze dell'Atmosfera, Università di San Paolo, IAG -USP), Guilherme Nogueira (UNESP Rio Claro), e Ph.D. il candidato Isys Mello, supervisionato da Souza.