Mørk energi er en hypotetisk form for energi, der udøver et negativt, frastødende tryk og opfører sig som det modsatte af tyngdekraften. Den er blevet anset for at kunne forklare de observerede egenskaber ved fjerntliggende type Ia-supernovaer, som viser, at universet gennemgår en accelereret ekspansionsperiode. Ligesom mørk materie observeres mørk energi ikke direkte, men udledes snarere af observationer af gravitationelle vekselvirkninger mellem astronomiske objekter.
Kredit: Swinburne
Mørk energi udgør 72% af universets samlede masse-energitæthed. Den anden dominerende bidragsyder er mørkt stof, og en lille mængde skyldes atomer eller baryonisk stof.
I 1998 meddelte to hold af astronomer, at fjerne, z~1 type Ia supernovaer var lidt for svage end modelforudsigelserne for et ekspanderende (men langsomt voksende) univers. For at være svagere skal supernovaerne være længere væk, og det kræver, at universets udvidelse var langsommere i fortiden. Begge hold var enige om, at universet gennemgår en fase med accelererende ekspansion. Mørk energi blev påberåbt som drivkraft for denne acceleration.
I begyndelsen af det 20. århundrede havde Albert Einstein påberåbt sig en “kosmologisk konstant”, (normalt symboliseret ved det græske bogstav lambda, Λ). Det var en vakuumenergi i det tomme rum, som holdt universet (som forudsagt af hans feltligninger i den generelle relativitetsteori) statisk, snarere end at trække sig sammen eller udvide sig. Det var en måde at afbalancere den gravitationelle sammentrækning forårsaget af materien. Da det blev observeret, at universet udvidede sig, fjernede Einstein i al hast sin kosmologiske konstant. Men hvis mørk energi beskrives ved noget, der ligner Einsteins kosmologiske konstant, afbalancerer den ikke blot tyngdekraften for at holde et statisk univers, men har et negativt tryk, der får ekspansionen til at accelerere.
Der er blevet foreslået andre typer mørk energi, herunder et kosmisk felt, der er forbundet med inflation, og et andet, lavenergifelt, der kaldes “kvintessens”.
Det menes, at det meget tidlige univers også gennemgik en periode med hurtig ekspansion, kaldet inflation. Inflationen, der fandt sted omkring 10-36 sekunder efter Big Bang, virkede til at udjævne universet og gøre det geometrisk fladt. Hvis universets tæthed er nøjagtigt lig med den kritiske tæthed, er universets geometri flad som et stykke papir. For et materiedomineret univers ligger den kritiske tæthed (svarende til ca. 6 protoner pr. m3) præcis mellem den tæthed, der kræves for et tungt univers, som til sidst vil kollapse, og den tæthed, der kræves for et let univers, som vil udvide sig for evigt. Når astronomer måler mængden af stof og energi i universet i dag, kommer de kun frem til ca. ~30% af det, der er nødvendigt for at gøre universet fladt. Tilføjelsen af mørk energi til masse-energibudgettet gør universet fladt. Den enkleste version af inflation forudsiger, at universets tæthed er meget tæt på den kritiske tæthed.
WMAP-rumfartøjet har målt universets geometri. Hvis universet var fladt, ville de lyseste udsving i den kosmiske mikrobølgebaggrund (eller “pletter”) være ca. 1 grad på tværs. WMAP har bekræftet denne pletstørrelse med meget stor nøjagtighed. Vi ved nu, at universet er fladt med en fejlmargin på kun 2 %.
Kredit: P. Garnavich (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) og High-z Supernova Search Team og NASA
Kvintessens stammer fra de gamle grækere, som brugte udtrykket til at beskrive et mystisk “femte element” – ud over luft, jord, ild og vand. Mens den kosmologiske konstant er en specifik form for energi, en vakuum-energi, er kvintessens dynamisk, tidsudviklende og en rumligt afhængig form for energi. Det er et kvantefelt med kinetisk og potentiel energi.
Afhængigt af forholdet mellem de to energier og det tryk, de udøver, kan kvintessensen enten tiltrække eller frastøde. Den har en tilstandsligning (der relaterer dens tryk p og densitet ρ) på p = wρ, hvor w er lig med tilstandsligningen for den energikomponent, der dominerer universet. Hvis w gennemgår en overgang til mindre end -1/3, indleder dette en accelereret ekspansion. I modsætning hertil er en kosmologisk konstant statisk, med en fast energitæthed og w = -1.
Der er en række igangværende programmer, der har til formål at finde ud af mere om mørk energi. En af disse undersøgelser omfatter måling af Baryonic Acoustic Oscillations (BAO).
Alternativer til Mørk Energi er blevet foreslået. Nogle forskere har foreslået, at vores galakse befinder sig i et område med lav tæthed, der er forårsaget af passage af en tæthedsbølge. Big Bang kan have skabt denne storskala bølge i rumtiden. Da denne urbølge bevægede sig gennem universet, efterlod den en bølge med lav tæthed på flere titusind millioner lysår i diameter, hvori galaksen nu befinder sig. Selv om det er muligt, ville denne forskel i rumtidens egenskaber være i strid med det kopernikanske princip, der siger, at universet på store skalaer er homogent.