Mörk energi är en hypotetisk form av energi som utövar ett negativt, avstötande tryck och beter sig som motsatsen till gravitation. Den har antagits förklara de observerade egenskaperna hos avlägsna supernovor av typ Ia, som visar att universum genomgår en accelererad expansionsperiod. I likhet med mörk materia observeras mörk energi inte direkt, utan härleds snarare från observationer av gravitationsinteraktioner mellan astronomiska objekt.
Credit: Swinburne
Den mörka energin utgör 72 % av den totala mass-energitätheten i universum. Den andra dominerande bidragsgivaren är mörk materia, och en liten mängd beror på atomer eller baryonisk materia.
In 1998 meddelade två grupper av astronomer att avlägsna supernovor av typ Ia av z~1-typ var något för svaga jämfört med modellens förutsägelser om ett expanderande (men långsammare) universum. För att vara svagare måste supernovorna vara längre bort och detta kräver att universums expansion var långsammare i det förflutna. Båda grupperna var överens om att universum genomgår en fas av accelererad expansion. Mörk energi åberopades för att driva denna acceleration.
I början av 1900-talet hade Albert Einstein åberopat en ”kosmologisk konstant” (vanligen symboliserad av den grekiska bokstaven lambda, Λ). Det var en vakuumenergi i den tomma rymden, som höll universum (förutsagt av hans fältekvationer i den allmänna relativitetsteorin) statiskt, snarare än att krympa eller expandera. Den var ett sätt att balansera den gravitationsminskning som orsakas av materia. När man väl observerade att universum expanderade tog Einstein hastigt bort sin kosmologiska konstant. Men om mörk energi beskrivs med något som liknar Einsteins kosmologiska konstant balanserar den inte bara gravitationen för att hålla ett statiskt universum utan har ett negativt tryck som får expansionen att accelerera.
Andra typer av mörk energi har föreslagits, bland annat ett kosmiskt fält som är förknippat med inflation och ett annat lågenergifält som kallas ”kvintessens”.
Det antas att det allra tidigaste universum också genomgick en period av snabb expansion, kallad inflation. Inflationen, som inträffade cirka 10-36 sekunder efter Big Bang, verkade för att jämna ut universum och göra det geometriskt platt. Om universums densitet är exakt lika med den kritiska densiteten är universums geometri platt som ett pappersark. För ett materiedominerat universum ligger den kritiska densiteten (motsvarande ungefär 6 protoner per m3) exakt mellan den densitet som krävs för ett tungt universum som så småningom kommer att kollapsa, och den densitet som krävs för ett lätt universum som kommer att expandera i all evighet. När astronomer mäter mängden materia och energi i universum i dag får de bara fram ungefär ~30 % av vad som krävs för att göra universum platt. Tillägget av mörk energi till massa-energibudgeten gör att universum blir platt. Den enklaste versionen av inflation förutsäger att universums densitet ligger mycket nära den kritiska densiteten.
Rymdsonden WMAP har mätt universums geometri. Om universum var platt skulle de ljusaste fluktuationerna i den kosmiska mikrovågsbakgrunden (eller ”fläckar”) vara ungefär en grad i diameter. WMAP har bekräftat denna fläckstorlek med mycket hög noggrannhet. Vi vet nu att universum är platt med endast 2 % felmarginal.
Kredit: P. Garnavich (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) och High-z Supernova Search Team och NASA
Kvintessens kommer från de gamla grekerna som använde termen för att beskriva ett mystiskt ”femte element” – utöver luft, jord, eld och vatten. Medan den kosmologiska konstanten är en specifik form av energi, en vakuumenergi, är kvintessensen dynamisk, tidsutvecklande och en rumsligt beroende form av energi. Det är ett kvantfält med kinetisk och potentiell energi.
Beroende på förhållandet mellan de två energierna och det tryck de utövar kan kvintessensen antingen attrahera eller stöta bort. Den har en tillståndsekvation (som relaterar dess tryck p och densitet ρ) på p = wρ, där w är lika med tillståndsekvationen för den energikomponent som dominerar universum. Om w genomgår en övergång till mindre än -1/3 inleds en accelererad expansion. En kosmologisk konstant är däremot statisk, med en fast energitäthet och w = -1.
Det finns ett antal pågående program som syftar till att upptäcka mer om mörk energi. En sådan studie omfattar mätning av Baryonic Acoustic Oscillations (BAO).
Alternativ till mörk energi har föreslagits. Vissa forskare har föreslagit att vår galax befinner sig inuti en region med låg densitet som orsakas av att en densitetsvåg passerar. Big Bang kan ha skapat denna storskaliga våg i rumtiden. När denna primordiala våg rörde sig genom universum lämnade den efter sig en våg med låg densitet med en diameter på flera tiotals miljoner ljusår, där vår galax nu ligger. Även om det är möjligt skulle denna skillnad i rymdtidens egenskaper bryta mot den kopernikanska principen som säger att universum på stora skalor är homogent.