Donkere energie is een hypothetische vorm van energie die een negatieve, afstotende druk uitoefent en zich gedraagt als het tegendeel van de zwaartekracht. Er wordt verondersteld dat dit de waargenomen eigenschappen van verre supernovae van het type Ia verklaart, waaruit blijkt dat het heelal een versnelde uitdijingsperiode doormaakt. Net als Donkere Materie wordt Donkere Energie niet direct waargenomen, maar eerder afgeleid uit waarnemingen van gravitationele interacties tussen astronomische objecten.
Credit: Swinburne
Donkere Energie maakt 72% uit van de totale massa-energiedichtheid van het heelal. De andere dominante bijdrage is Donkere Materie, en een kleine hoeveelheid is afkomstig van atomen of baryonische materie.
In 1998 maakten twee teams van astronomen bekend dat verre, z~1 type Ia supernovae iets te zwak waren dan modelvoorspellingen van een uitdijend (maar vertragend) heelal. Om zwakker te zijn, moeten de supernovae verder weg staan en dit vereist dat de uitdijing van het heelal in het verleden langzamer was. Beide teams waren het erover eens dat het heelal een fase van versnelde uitdijing doormaakt. Als drijvende kracht achter deze versnelling werd donkere energie aangevoerd.
In het begin van de 20e eeuw had Albert Einstein het over een ‘kosmologische constante’, (gewoonlijk gesymboliseerd door de Griekse letter lambda, Λ). Het was een vacuümenergie van lege ruimte, die het heelal (voorspeld door zijn veldvergelijkingen van de Algemene Relativiteitstheorie) statisch hield, in plaats van samentrekkend of uitdijend. Het bood een manier om de gravitationele contractie veroorzaakt door materie in evenwicht te brengen. Toen eenmaal was vastgesteld dat het heelal uitdijde, verwijderde Einstein haastig zijn kosmologische constante. Maar als donkere energie wordt beschreven door iets dat lijkt op Einsteins kosmologische constante, dan compenseert het niet alleen de zwaartekracht om een statisch heelal te behouden, maar heeft het een negatieve druk om de uitdijing te versnellen.
Er zijn andere soorten donkere energie voorgesteld, waaronder een kosmisch veld dat wordt geassocieerd met inflatie en een ander, laagenergetisch veld dat “quintessence” wordt genoemd.
Men denkt dat het zeer vroege heelal ook een periode van snelle uitdijing heeft doorgemaakt, die inflatie wordt genoemd. De inflatie, die ongeveer 10-36 seconden na de oerknal plaatsvond, zorgde ervoor dat het heelal gladder werd en geometrisch vlak werd. Als de dichtheid van het heelal precies gelijk is aan de kritische dichtheid, dan is de geometrie van het heelal plat als een vel papier. Voor een door materie gedomineerd heelal ligt de kritische dichtheid (gelijk aan ongeveer 6 protonen per m3) precies tussen de dichtheid die vereist is voor een zwaar heelal dat uiteindelijk zal instorten, en een dichtheid die vereist is voor een licht heelal dat eeuwig zal uitdijen. Wanneer astronomen de hoeveelheid materie en energie in het huidige heelal meten, komen zij slechts uit op ongeveer ~30% van wat nodig is om het heelal vlak te maken. De toevoeging van donkere energie aan het massa-energie budget maakt het heelal vlak. De eenvoudigste versie van de inflatie voorspelt dat de dichtheid van het heelal zeer dicht bij de kritische dichtheid ligt.
Het WMAP ruimtevaartuig heeft de geometrie van het heelal gemeten. Als het heelal vlak was, zouden de helderste kosmische microgolf-achtergrondfluctuaties (of “vlekken”) ongeveer 1 graad in doorsnee zijn. WMAP heeft deze vlekgrootte met zeer grote nauwkeurigheid bevestigd. We weten nu dat het heelal vlak is met slechts een foutmarge van 2%.
Credit: P. Garnavich (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) en het High-z Supernova Search Team en NASA
Quintessence komt van de oude Grieken die de term gebruikten om een mysterieus ‘vijfde element’ aan te duiden – naast lucht, aarde, vuur en water. Terwijl de kosmologische constante een specifieke vorm van energie is, een vacuümenergie, is quintessentie dynamisch, tijd-evoluerend en een ruimtelijk afhankelijke vorm van energie. Het is een kwantumveld met kinetische en potentiële energie.
Afhankelijk van de verhouding tussen de twee energieën en de druk die ze uitoefenen, kan quintessence aantrekken of afstoten. Zij heeft een toestandsvergelijking (die haar druk p en dichtheid ρ relateert) van p = wρ, waarbij w gelijk is aan de toestandsvergelijking van de energiecomponent die het universum domineert. Als w een overgang naar minder dan -1/3 ondergaat, begint een versnelde uitdijing. Een kosmologische constante daarentegen is statisch, met een vaste energiedichtheid en w = -1.
Er zijn een aantal lopende programma’s die erop gericht zijn meer te weten te komen over Donkere Energie. Eén zo’n studie betreft de meting van Baryonische Akoestische Oscillaties (BAO).
Alternatieven voor Donkere Energie zijn voorgesteld. Sommige wetenschappers hebben voorgesteld dat ons Melkwegstelsel zich bevindt in een gebied van lage dichtheid, veroorzaakt door de passage van een dichtheidsgolf. De oerknal kan deze grootschalige golf in de ruimte-tijd hebben veroorzaakt. Toen deze oergolf door het heelal bewoog, liet hij een rimpeling met lage dichtheid achter met een diameter van tientallen miljoenen lichtjaren, waarin het Melkwegstelsel zich nu bevindt. Hoewel dit mogelijk is, zou dit verschil in de eigenschappen van de ruimte-tijd in strijd zijn met het Copernicaanse principe dat stelt dat het heelal op grote schaal homogeen is.