Ciemna energia jest hipotetyczną formą energii, która wywiera ujemne, odpychające ciśnienie, zachowując się jak przeciwieństwo grawitacji. Została ona uznana za przyczynę obserwowanych właściwości odległych supernowych typu Ia, które pokazują, że wszechświat przechodzi przez przyspieszony okres ekspansji. Podobnie jak Ciemna Materia, Ciemna Energia nie jest bezpośrednio obserwowana, ale raczej wnioskowana na podstawie obserwacji oddziaływań grawitacyjnych między obiektami astronomicznymi.
Credit: Swinburne
Ciemna Energia stanowi 72% całkowitej gęstości masy-energii we wszechświecie. Innym dominującym składnikiem jest Ciemna Materia, a niewielka ilość jest spowodowana atomami lub materią barionową.
W 1998 roku dwa zespoły astronomów ogłosiły, że odległe supernowe z~1 typu Ia były nieco za słabe niż przewidywania modeli rozszerzającego się (lecz spowalniającego) wszechświata. Aby być słabsze, supernowe muszą być dalej, a to wymaga, aby ekspansja Wszechświata była wolniejsza w przeszłości. Oba zespoły zgodziły się, że Wszechświat przechodzi przez fazę przyspieszonej ekspansji. Ciemna Energia została powołana do napędzania tego przyspieszenia.
W początkach XX wieku Albert Einstein powołał się na „stałą kosmologiczną”, (zwykle symbolizowaną przez grecką literę lambda, Λ). Była to energia próżni pustej przestrzeni, która utrzymywała wszechświat (przewidywany przez jego równania pola Ogólnej Teorii Względności) w stanie statycznym, zamiast kurczyć się lub rozszerzać. Stanowiła ona sposób na zrównoważenie grawitacyjnego kurczenia się spowodowanego przez materię. Kiedy zaobserwowano, że wszechświat się rozszerza, Einstein pośpiesznie usunął swoją stałą kosmologiczną. Jednak jeśli ciemna energia jest opisana przez coś podobnego do stałej kosmologicznej Einsteina, to nie tylko równoważy grawitację, aby utrzymać statyczny wszechświat, ale ma ujemne ciśnienie, aby spowodować przyspieszenie ekspansji.
Zaproponowano inne rodzaje ciemnej energii, w tym pole kosmiczne związane z inflacją i inne, niskoenergetyczne pole nazwane „kwintesencją”.
Uważa się, że bardzo wczesny wszechświat również przeszedł przez okres gwałtownej ekspansji, zwanej inflacją. Inflacja, występująca około 10-36 sekund po Wielkim Wybuchu, miała na celu wygładzenie wszechświata i uczynienie go geometrycznie płaskim. Jeśli gęstość Wszechświata jest dokładnie równa gęstości krytycznej, to geometria Wszechświata jest płaska jak kartka papieru. Dla wszechświata zdominowanego przez materię gęstość krytyczna (odpowiadająca około 6 protonom na m3) znajduje się dokładnie pomiędzy gęstością wymaganą dla ciężkiego wszechświata, który w końcu się zapadnie, a gęstością wymaganą dla lekkiego wszechświata, który będzie się rozszerzał w nieskończoność. Kiedy astronomowie mierzą ilość materii i energii w dzisiejszym wszechświecie, otrzymują jedynie około ~30% tego, co jest potrzebne, aby wszechświat był płaski. Dodanie Ciemnej Energii do budżetu masy-energii sprawia, „e wszechświat staje się płaski. Najprostsza wersja inflacji, przewiduje, że gęstość wszechświata jest bardzo blisko do gęstości krytycznej.
Sonda kosmiczna WMAP zmierzyła geometrię wszechświata. Gdyby wszechświat był płaski, najjaśniejsze fluktuacje mikrofalowego tła kosmicznego (lub „plamy”) miałyby około 1 stopnia średnicy. WMAP potwierdził ten rozmiar plamki z bardzo dużą dokładnością. Wiemy teraz, że wszechświat jest płaski z zaledwie 2% marginesem błędu.
Credit: P. Garnavich (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) and the High-z Supernova Search Team and NASA
Quintessence pochodzi od starożytnych Greków, którzy używali tego terminu na określenie tajemniczego „piątego elementu” – oprócz powietrza, ziemi, ognia i wody. Podczas gdy stała kosmologiczna jest specyficzną formą energii, energią próżni, kwintesencja jest dynamiczna, zmienia się w czasie i jest przestrzennie zależną formą energii. Jest to pole kwantowe z energią kinetyczną i potencjalną.
W zależności od stosunku tych dwóch energii i ciśnienia, jakie wywierają, kwintesencja może albo przyciągać, albo odpychać. Ma ona równanie stanu (odnoszące się do jej ciśnienia p i gęstości ρ) p = wρ, gdzie w jest równe równaniu stanu składnika energii dominującego we wszechświecie. Jeżeli w przejdzie do wartości mniejszej niż -1/3, zapoczątkuje to przyspieszoną ekspansję. Dla kontrastu, stała kosmologiczna jest statyczna, ze stałą gęstością energii i w = -1.
Istnieje wiele trwających programów mających na celu odkrycie więcej na temat Ciemnej Energii. Jedno z takich badań polega na pomiarze barionowych oscylacji akustycznych (BAO).
Zaproponowano alternatywy dla Ciemnej Energii. Niektórzy naukowcy zaproponowali, że nasza Galaktyka siedzi wewnątrz regionu o niskiej gęstości spowodowanej przez przejście fali gęstości. Wielki Wybuch mógł stworzyć tę wielkoskalową falę w czasoprzestrzeni. Gdy ta pierwotna fala przemieszczała się przez wszechświat, pozostawiła po sobie falę o niskiej gęstości o średnicy kilkudziesięciu milionów lat świetlnych, w której obecnie znajduje się nasza Galaktyka. Chociaż jest to możliwe, ta różnica we właściwościach czasoprzestrzeni naruszyłaby zasadę kopernikańską, która mówi, że wszechświat w dużych skalach jest jednorodny.