O universo pode ser um lugar muito viscoso, mas o quão viscoso ele é, é uma questão para se debater.
Isso acontece porque durante décadas, os cosmólogos têm tido problemas para conciliar a noção clássica de viscosidade, baseados nas leis da termodinâmica com a teoria da relatividade geral de Einstein. No entanto, uma equipe da Universidade de Vanderbilt veio com uma fundamentalmente nova formulação matemática do problema que aparece sanar esta lacuna de longa data.
A nova matemática tem algumas implicações significativas para o destino final do universo. Tende a favor de um dos cenários mais radicais que os cosmólogos conhecem como o “big rip” ou “grande rasgo”. Ele também pode lançar luz sobre a natureza básica da energia escura.
A nova abordagem foi desenvolvida pelo Professor Assistente de matemática Marcelo Disconzi em colaboração com os professores de física Thomas Kephart e Robert Scherrer e é descrita em um artigo publicado no início deste ano no jornal Physical Review D.
“Marcelo surgiu com uma formulação mais simples e mais elegante que é matematicamente boa e obedece a todas as leis físicas aplicáveis,” disse Scherrer.
O tipo de viscosidade que tem relevância cosmológica é diferente da forma familiar com viscosidade de “Ketchup”, que é chamada de viscosidade de cisalhamento e é uma medida da resistência de um fluido que flui através de pequenos orifícios como o pescoço de uma garrafa de ketchup. A viscosidade cosmológica é uma forma de viscosidade em massa, que é a medida da resistência de um fluido de expansão ou contração. A razão pela qual que muitas vezes não lidarmos com viscosidade em massa na vida cotidiana é porque a maioria dos líquidos que nos deparamos não pode ser comprimido ou expandido bastante.
Disconzi começou por abordar o problema de fluidos relativísticos. Objetos astronômicos que produzem esse fenômeno incluem supernovas (explodindo estrelas) e estrelas de nêutrons (estrelas que foram esmagadas até o tamanho de 20 a 30 km de diâmetro).
Os cientistas tiveram sucesso considerável, o que acontece quando fluidos ideais – aqueles com nenhuma viscosidade – são impulsionados a velocidades perto da luz. Mas quase todos os fluidos são viscosos na natureza e, apesar de décadas de esforço, ninguém conseguiu vir com uma maneira geralmente aceita para lidar com fluidos viscosos, viajando a velocidades relativísticas. os modelos formulado para prever o que acontece quando esses fluidos mais realistas são acelerados até uma fracção da velocidade da luz têm sido afligido com inconsistências: o mais evidente deles tem sido prever certas condições em que estes fluidos podem viajar mais rápido do que o velocidade da luz.
“Isto é desastrosamente errado,” disse Disconzi, “já que é bem comprovada experimentalmente que nada pode viajar mais rápido que a velocidade da luz.”
Estes problemas inspiraram a re-formular matematicamente as equações relativísticas da dinâmica dos fluidos de uma forma que não apresentam a falha de permitir velocidades mais rápidas que a luz. Ele que foi avançado na década de 1950 pelo matemático francês André Lichnerowicz baseia sua abordagem.
Em seguida, Disconzi, Kephart e Scherrer aplicaram suas equações a teoria cosmológica mais ampla. Isto produziu uma série de resultados interessantes, incluindo alguns potenciais novos insights sobre a natureza misteriosa da energia escura.
Na década de 1990, a comunidade de física ficou chocada quando medições astronômicas mostraram que o universo está se expandindo a uma taxa acelerada. Para explicar essa aceleração imprevista, eles foram forçados a hipótese da existência de uma forma desconhecida de energia repulsiva que está espalhada por todo o universo. Como ele sabiam tão pouco sobre ela, eles a rotularam de “energia escura”.
A maioria das teorias de energia escura até à data não tomaram a viscosidade cósmica em conta, apesar do fato de que tem um efeito repulsivo impressionantemente semelhante da energia escura. “É possível, mas não muito provável, que a viscosidade explicaria toda a aceleração que foi atribuída a energia escura,” disse Disconzi. “É mais provável que uma fração significativa da aceleração pode ser devido a esta causa mais prosaica. Como resultado, viscosidade pode atuar como uma restrição importante sobre as propriedades da energia escura.”
Outro resultado interessante envolve o destino final do universo.
Um cenário, apelidado do “Big Freeze,” prevê que após 100 trilhões de anos o universo terá crescido tão vastamente que os suprimentos de gás se tornarão muito finos para formação de estrelas. Como resultado, estrelas existentes gradualmente vão queimar, deixando apenas os buracos negros que, por sua vez, lentamente evaporarão, a medida que o próprio espaço fica mais frio e mais frio.
Um cenário ainda mais radical é o “grande rasgo” ou “big rip”. Baseia-se em um tipo de energia escura “fantasma”que fica mais forte ao longo do tempo. Neste caso, a taxa de expansão do universo torna-se tão grande que, em 22 bilhões de anos, mais ou menos, o material dos objetos começam a desmoronar e átomos individuais desmontarão-se em desacoplarão partículas elementares e radiação.
O valor da chave envolvido neste cenário é a relação entre a pressão e densidade, o que é chamado de equação do parâmetro de estado de energia escura. Se esse valor cair abaixo de -1 então o universo será eventualmente puxado separadamente. Os cosmólogos chamam isso de “fantasma”. Nos modelos anteriores com viscosidade mostram que o universo não poderia evoluir para além deste limite.
Na formulação Desconzi-Kephart-Scherrer, no entanto, esta barreira não existe. Em vez disso, ele fornece um caminho natural para a equação do parâmetro de estado abaixo de -1.
“Nos modelos anteriores de viscosidade do Big Rip não foi possível,” disse Scherrer. “Neste novo modelo, viscosidade na realidade, conduz o universo em direção a esse estado extremo.”
De acordo com os cientistas, os resultados de suas análises de caneta e papel da nova formulação para viscosidade relativística são bastante promissoras, mas deve-se efetuar uma análise muito mais profunda para determinar sua viabilidade. A única maneira de fazer isso é usar computadores potentes para analisar as complexas equações numericamente. Desta forma os cientistas podem fazer previsões que podem ser comparadas com a experiência e observação.
Traduzido de Phys.org