A sötét energia egy olyan feltételezett energiaforma, amely negatív, taszító nyomást gyakorol, és a gravitáció ellentéteként viselkedik. Feltételezések szerint ez magyarázza a távoli Ia típusú szupernóvák megfigyelt tulajdonságait, amelyek azt mutatják, hogy a világegyetem a tágulás felgyorsult időszakán megy keresztül. A sötét anyaghoz hasonlóan a sötét energiát sem lehet közvetlenül megfigyelni, inkább a csillagászati objektumok közötti gravitációs kölcsönhatások megfigyeléseiből következtetnek rá.
Credit: Swinburne
A sötét energia a világegyetem teljes tömeg-energia sűrűségének 72%-át teszi ki. A másik domináns hozzájárulást a Sötét Anyag adja, és egy kis részét az atomok vagy a bariónikus anyag teszi ki.
1998-ban két csillagászcsoport bejelentette, hogy távoli, z~1 típusú Ia szupernóvák kissé túl halványak voltak a táguló (de lassuló) világegyetemre vonatkozó modelljóslatoknál. Ahhoz, hogy halványabbak legyenek, a szupernóváknak távolabb kell lenniük, és ehhez az kell, hogy az Univerzum tágulása a múltban lassabb volt. Mindkét kutatócsoport egyetértett abban, hogy a világegyetem a felgyorsult tágulás fázisában van. A gyorsulás hátterében a sötét energiára hivatkoztak.
A 20. század elején Albert Einstein egy “kozmológiai állandóra” hivatkozott (általában a görög lambda, Λ betűvel jelölik). Ez az üres tér vákumenergiája volt, amely a világegyetemet (amelyet az Általános relativitáselméletének mezőegyenletei jósoltak) statikusan tartotta, ahelyett, hogy összehúzódott vagy kitágult volna. Ezzel ellensúlyozni lehetett az anyag által okozott gravitációs összehúzódást. Miután megfigyelték, hogy a világegyetem tágul, Einstein sietve eltörölte kozmológiai állandóját. Ha azonban a sötét energiát Einstein kozmológiai állandójához hasonlóval írják le, akkor az nem csak a gravitációt egyensúlyozza ki, hogy a világegyetem statikus maradjon, hanem negatív nyomást gyakorol, hogy a tágulás gyorsulását okozza.
A sötét energia más típusait is javasolták, beleértve az inflációhoz kapcsolódó kozmikus mezőt és egy másik, alacsony energiájú mezőt, amelyet “kvintesszenciának” neveznek.
Az elképzelések szerint a nagyon korai világegyetem is átment egy gyors tágulási időszakon, amelyet inflációnak neveznek. Az ősrobbanás után körülbelül 10-36 másodperccel bekövetkező infláció hatására az univerzum kisimult és geometriai szempontból lapossá vált. Ha a világegyetem sűrűsége pontosan megegyezik a kritikus sűrűséggel, akkor a világegyetem geometriája lapos, mint egy papírlap. Az anyag uralta világegyetem esetében a kritikus sűrűség (ami körülbelül 6 proton/m3 -nek felel meg) pontosan a nehéz, végül összeomló világegyetemhez szükséges sűrűség és a könnyű, örökké táguló világegyetemhez szükséges sűrűség között helyezkedik el. Amikor a csillagászok megmérik az anyag és az energia mennyiségét a világegyetemben ma, csak ~30%-át kapják annak, ami ahhoz szükséges, hogy a világegyetem lapos legyen. A Sötét Energia hozzáadása a tömeg-energia költségvetéshez lapossá teszi a világegyetemet. Az infláció legegyszerűbb változata, azt jósolja, hogy a világegyetem sűrűsége nagyon közel van a kritikus sűrűséghez.
A WMAP űrszonda megmérte a világegyetem geometriáját. Ha az univerzum lapos lenne, akkor a legfényesebb kozmikus mikrohullámú háttéringadozások (vagy “foltok”) körülbelül 1 fokos átmérőjűek lennének. A WMAP nagyon nagy pontossággal megerősítette ezt a foltméretet. Most már tudjuk, hogy a világegyetem lapos, mindössze 2%-os hibahatárral.
Credit: P. Garnavich (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) és a High-z Supernova Search Team és a NASA
A kvintesszencia az ókori görögöktől származik, akik a kifejezést egy titokzatos “ötödik elem” leírására használták – a levegő, a föld, a tűz és a víz mellett. Míg a kozmológiai állandó az energia egy sajátos formája, a vákumenergia, addig a kvintesszencia dinamikus, időben változó és térfüggő energiaforma. Ez egy kinetikus és potenciális energiával rendelkező kvantummező.
A két energia arányától és az általuk kifejtett nyomástól függően a kvintesszencia képes vonzani vagy taszítani. Állapotegyenlete (a p nyomás és a ρ sűrűség viszonylatában) p = wρ, ahol w megegyezik a világegyetemet uraló energiakomponens állapotegyenletével. Ha w átmegy -1/3-nál kisebb értékre, az gyorsított tágulást indít el. Ezzel szemben a kozmológiai állandó statikus, rögzített energiasűrűséggel és w = -1.
Egy sor folyamatban lévő program célja, hogy többet tudjunk meg a sötét energiáról. Az egyik ilyen vizsgálat a bariónikus akusztikus oszcillációk (BAO) mérését foglalja magában.
A Sötét Energia alternatíváit javasolták. Néhány tudós azt javasolta, hogy a mi galaxisunk egy alacsony sűrűségű régióban helyezkedik el, amelyet egy sűrűséghullám áthaladása okoz. Az ősrobbanás hozhatta létre ezt a nagy kiterjedésű hullámot a téridőben. Ahogy ez az őshullám végighaladt az univerzumon, egy több tízmillió fényév átmérőjű, alacsony sűrűségű hullámot hagyott maga után, amelyben most a Galaxisunk található. Bár ez lehetséges, a téridő tulajdonságainak ez a különbsége megsértené a kopernikuszi elvet, amely szerint a világegyetem nagy léptékben homogén.