Pimeä energia on hypoteettinen energiamuoto, joka harjoittaa negatiivista, hylkivää painetta ja käyttäytyy painovoiman vastakohtana. Sen on oletettu selittävän kaukana sijaitsevien Ia-tyypin supernovien havaitut ominaisuudet, jotka osoittavat maailmankaikkeuden käyvän läpi kiihtyvää laajenemisvaihetta. Kuten pimeää ainetta, pimeää energiaa ei havaita suoraan, vaan se päätellään havaintojen perusteella tähtitieteellisten kohteiden välisistä gravitaatiovuorovaikutuksista.
Credit: Swinburne
Pimeän energian osuus maailmankaikkeuden kokonaismassan-energiatiheyden määrästä on 72 %. Toinen hallitseva tekijä on pimeä aine, ja pieni osa johtuu atomeista tai baryonisesta aineesta.
Vuonna 1998 kaksi tähtitieteilijäryhmää ilmoitti, että kaukaiset, z~1-tyypin Ia supernovat olivat hiukan liian heikkoja kuin laajenevan (mutta hidastuvan) maailmankaikkeuden malliennusteet. Ollakseen himmeämpiä supernovien täytyy olla kauempana, ja tämä edellyttää, että maailmankaikkeuden laajeneminen on ollut hitaampaa menneisyydessä. Molemmat ryhmät olivat yhtä mieltä siitä, että maailmankaikkeus elää kiihtyneen laajenemisen vaihetta. Pimeään energiaan vedottiin tämän kiihtyvyyden aiheuttajana.
Albert Einstein oli 1900-luvun alkupuolella vedonnut ”kosmologiseen vakioon” (jota yleensä symbolisoidaan kreikkalaisella lambda-kirjaimella, Λ). Se oli tyhjän avaruuden tyhjöenergiaa, joka piti maailmankaikkeuden (hänen yleisen suhteellisuusteorian kenttäyhtälöiden ennustamana) staattisena sen sijaan, että se olisi supistunut tai laajentunut. Se tarjosi keinon tasapainottaa aineen aiheuttamaa painovoiman supistumista. Kun maailmankaikkeuden havaittiin laajenevan, Einstein poisti hätäisesti kosmologisen vakionsa. Jos pimeää energiaa kuitenkin kuvataan jollakin Einsteinin kosmologisen vakion kaltaisella tavalla, se ei vain tasapainota gravitaatiota pitääkseen maailmankaikkeuden staattisena, vaan sillä on negatiivista painetta, joka saa laajenemisen kiihtymään.
Muunkinlaista pimeää energiaa on ehdotettu, muun muassa inflaatioon liittyvää kosmista kenttää ja erilaista matalaenergiakenttää, jota kutsutaan nimellä ”kvintessenssi”.
On ajateltu, että hyvin varhainen maailmankaikkeus kävi läpi nopean laajenemisen kauden, jota kutsutaan inflaatioksi. Inflaatio, joka tapahtui noin 10-36 sekuntia alkuräjähdyksen jälkeen, tasoitti maailmankaikkeutta ja teki siitä geometrisesti litteän. Jos maailmankaikkeuden tiheys on täsmälleen yhtä suuri kuin kriittinen tiheys, maailmankaikkeuden geometria on litteä kuin paperiarkki. Ainevaltaisessa maailmankaikkeudessa kriittinen tiheys (joka vastaa noin 6:ta protonia kuutiometriä kohti) on täsmälleen sen tiheyden välissä, joka tarvitaan raskaaseen maailmankaikkeuteen, joka lopulta romahtaa, ja sen tiheyden välissä, joka tarvitaan kevyeen maailmankaikkeuteen, joka laajenee ikuisesti. Kun tähtitieteilijät mittaavat aineen ja energian määrää maailmankaikkeudessa nykyään, he saavat tulokseksi vain noin ~30 % siitä, mitä tarvitaan, jotta maailmankaikkeus olisi litteä. Pimeän energian lisääminen massa-energiabudjettiin tekee maailmankaikkeudesta litteän. Yksinkertaisin versio inflaatiosta ennustaa, että maailmankaikkeuden tiheys on hyvin lähellä kriittistä tiheyttä.
WMAP-avaruusalus on mitannut maailmankaikkeuden geometriaa. Jos maailmankaikkeus olisi litteä, kirkkaimmat kosmisen mikroaaltotaustan vaihtelut (tai ”pilkut”) olisivat noin yhden asteen levyisiä. WMAP on vahvistanut tämän pisteen koon erittäin suurella tarkkuudella. Tiedämme nyt, että maailmankaikkeus on litteä vain 2 prosentin virhemarginaalilla.
Credit: P. Garnavich (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) ja High-z Supernova Search Team ja NASA
Quintessenssi on peräisin antiikin kreikkalaisilta, jotka käyttivät termiä kuvaamaan salaperäistä ”viidettä elementtiä” – ilman, maan, tulen ja veden lisäksi. Siinä missä kosmologinen vakio on erityinen energiamuoto, tyhjiöenergia, kvintessenssi on dynaaminen, ajassa kehittyvä ja tilasta riippuvainen energiamuoto. Se on kvanttikenttä, jolla on kineettistä ja potentiaalienergiaa.
Kummankin energian suhteesta ja niiden aiheuttamasta paineesta riippuen kvintessenssi voi joko vetää puoleensa tai hylkiä. Sen tilayhtälö (joka liittyy sen paineeseen p ja tiheyteen ρ) on p = wρ, missä w on yhtä suuri kuin universumia hallitsevan energiakomponentin tilayhtälö. Jos w muuttuu pienemmäksi kuin -1/3, alkaa kiihtynyt laajeneminen. Sitä vastoin kosmologinen vakio on staattinen, jolloin energiatiheys on kiinteä ja w = -1.
Tässä vaiheessa on käynnissä useita ohjelmia, joiden tarkoituksena on saada selville enemmän pimeästä energiasta. Yksi tällainen tutkimus käsittää baryonisen akustisen värähtelyn (BAO) mittaamisen.
Pimeälle energialle on ehdotettu vaihtoehtoja. Jotkut tutkijat ovat ehdottaneet, että galaksimme sijaitsee tiheysaallon läpikulun aiheuttaman alhaisen tiheyden alueen sisällä. Alkuräjähdys on saattanut synnyttää tämän laajamittaisen aallon avaruusaikaan. Kun tämä alkuaalto kulki maailmankaikkeuden läpi, se jätti jälkeensä useita kymmeniä miljoonia valovuosia leveän matalan tiheyden aaltoilualueen, jossa galaksimme nyt sijaitsee. Vaikka se on mahdollista, tämä ero aika-avaruuden ominaisuuksissa rikkoisi kopernikaanista periaatetta, jonka mukaan maailmankaikkeus on suurissa mittakaavoissa homogeeninen.