Die dunkle Energie ist eine hypothetische Form von Energie, die einen negativen, abstoßenden Druck ausübt und sich wie das Gegenteil der Schwerkraft verhält. Sie wurde als Hypothese aufgestellt, um die beobachteten Eigenschaften entfernter Supernovae vom Typ Ia zu erklären, die zeigen, dass das Universum eine beschleunigte Expansionsphase durchläuft. Wie die Dunkle Materie wird auch die Dunkle Energie nicht direkt beobachtet, sondern aus Beobachtungen von Gravitationswechselwirkungen zwischen astronomischen Objekten abgeleitet.
Credit: Swinburne
Die Dunkle Energie macht 72 % der gesamten Masse-Energie-Dichte des Universums aus. Der andere Hauptanteil ist die Dunkle Materie, und ein kleiner Teil entfällt auf Atome oder baryonische Materie.
Im Jahr 1998 gaben zwei Astronomenteams bekannt, dass weit entfernte Supernovae vom Typ Ia (z~1) etwas zu schwach waren, als die Modellvorhersagen eines sich ausdehnenden (aber verlangsamenden) Universums vermuten ließen. Um schwächer zu sein, müssen die Supernovae weiter entfernt sein, und dies setzt voraus, dass die Expansion des Universums in der Vergangenheit langsamer war. Beide Teams waren sich einig, dass sich das Universum in einer Phase der beschleunigten Expansion befindet. Als Grund für diese Beschleunigung wurde die Dunkle Energie angeführt.
Anfang des 20. Jahrhunderts hatte Albert Einstein eine „kosmologische Konstante“ (gewöhnlich durch den griechischen Buchstaben Lambda, Λ, symbolisiert) angeführt. Dabei handelte es sich um eine Vakuumenergie des leeren Raums, die das Universum (wie von seinen Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt) statisch hielt, anstatt es kontrahieren oder expandieren zu lassen. Sie bot einen Weg, die durch die Materie verursachte Gravitationskontraktion auszugleichen. Als man feststellte, dass sich das Universum ausdehnt, entfernte Einstein eilig seine kosmologische Konstante. Wenn die dunkle Energie jedoch durch etwas Ähnliches wie Einsteins kosmologische Konstante beschrieben wird, gleicht sie nicht nur die Schwerkraft aus, um das Universum statisch zu halten, sondern übt auch einen negativen Druck aus, der die Expansion beschleunigt.
Es wurden noch andere Arten dunkler Energie vorgeschlagen, darunter ein kosmisches Feld, das mit der Inflation in Verbindung gebracht wird, und ein anderes Feld mit niedriger Energie, das als „Quintessenz“ bezeichnet wird.
Es wird angenommen, dass das sehr frühe Universum ebenfalls eine Periode schneller Expansion durchlief, die als Inflation bezeichnet wird. Die Inflation, die etwa 10-36 Sekunden nach dem Urknall einsetzte, glättete das Universum und machte es geometrisch flach. Wenn die Dichte des Universums genau der kritischen Dichte entspricht, dann ist die Geometrie des Universums flach wie ein Blatt Papier. Für ein von Materie dominiertes Universum liegt die kritische Dichte (entspricht etwa 6 Protonen pro m3) genau zwischen der Dichte, die für ein schweres Universum erforderlich ist, das schließlich kollabieren wird, und der Dichte, die für ein leichtes Universum erforderlich ist, das sich ewig ausdehnen wird. Wenn Astronomen heute die Menge an Materie und Energie im Universum messen, kommen sie nur auf etwa 30 % dessen, was für ein flaches Universum erforderlich ist. Durch die Hinzufügung der Dunklen Energie zum Masse-Energie-Budget wird das Universum flach. Die einfachste Version der Inflation sagt voraus, dass die Dichte des Universums sehr nahe an der kritischen Dichte liegt.
Die WMAP-Raumsonde hat die Geometrie des Universums gemessen. Wenn das Universum flach wäre, hätten die hellsten kosmischen Mikrowellen-Hintergrundfluktuationen (oder „Flecken“) einen Durchmesser von etwa 1 Grad. WMAP hat diese Fleckengröße mit sehr hoher Genauigkeit bestätigt. Wir wissen jetzt, dass das Universum mit einer Fehlerquote von nur 2 % flach ist.
Credit: P. Garnavich (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) und das High-z Supernova Search Team und die NASA
Der Begriff Quintessenz stammt von den alten Griechen, die damit ein geheimnisvolles „fünftes Element“ beschrieben – neben Luft, Erde, Feuer und Wasser. Während die kosmologische Konstante eine spezifische Energieform ist, eine Vakuumenergie, ist die Quintessenz eine dynamische, sich zeitlich entwickelnde und räumlich abhängige Form von Energie. Sie ist ein Quantenfeld mit kinetischer und potentieller Energie.
Abhängig vom Verhältnis der beiden Energien und dem Druck, den sie ausüben, kann die Quintessenz entweder anziehen oder abstoßen. Sie hat eine Zustandsgleichung (in Bezug auf ihren Druck p und ihre Dichte ρ) von p = wρ, wobei w gleich der Zustandsgleichung der Energiekomponente ist, die das Universum beherrscht. Wenn w einen Übergang auf weniger als -1/3 erfährt, löst dies eine beschleunigte Expansion aus. Im Gegensatz dazu ist eine kosmologische Konstante statisch, mit einer festen Energiedichte und w = -1.
Es gibt eine Reihe von laufenden Programmen, die darauf abzielen, mehr über die Dunkle Energie zu erfahren. Eine solche Studie umfasst die Messung baryonischer akustischer Oszillationen (BAO).
Es wurden Alternativen zur Dunklen Energie vorgeschlagen. Einige Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass sich unsere Galaxie in einer Region mit geringer Dichte befindet, die durch den Durchgang einer Dichtewelle verursacht wurde. Der Urknall könnte diese großräumige Welle in der Raumzeit erzeugt haben. Als sich diese Urwelle durch das Universum bewegte, hinterließ sie eine Welle geringer Dichte mit einem Durchmesser von mehreren zehn Millionen Lichtjahren, in der sich unsere Galaxie jetzt befindet. Obwohl dies möglich ist, würde dieser Unterschied in den Eigenschaften der Raumzeit gegen das kopernikanische Prinzip verstoßen, das besagt, dass das Universum auf großen Skalen homogen ist.