Energia întunecată este o formă ipotetică de energie care exercită o presiune negativă, repulsivă, comportându-se ca opusul gravitației. A fost emisă ca ipoteză pentru a explica proprietățile observaționale ale supernovelor îndepărtate de tip Ia, care arată că universul trece printr-o perioadă de expansiune accelerată. Ca și materia întunecată, energia întunecată nu este observată în mod direct, ci mai degrabă dedusă din observațiile interacțiunilor gravitaționale dintre obiectele astronomice.
Credit: Swinburne
Energia întunecată reprezintă 72% din densitatea totală de masă-energie din Univers. Celălalt contributor dominant este materia întunecată, iar o cantitate mică se datorează atomilor sau materiei barionice.
În 1998, două echipe de astronomi au anunțat că supernovele îndepărtate, z~1 de tip Ia, erau puțin prea slabe față de previziunile modelului unui univers în expansiune (dar care încetinește). Pentru a fi mai slabe, supernovele trebuie să fie mai îndepărtate, iar acest lucru presupune că expansiunea Universului a fost mai lentă în trecut. Ambele echipe au fost de acord că universul trece printr-o fază de expansiune accelerată. Energia întunecată a fost invocată ca motor al acestei accelerări.
La începutul secolului al XX-lea, Albert Einstein a invocat o „constantă cosmologică”, (simbolizată de obicei prin litera greacă lambda, Λ). Aceasta era o energie a vidului din spațiul gol, care menținea universul (prezis de ecuațiile sale de câmp din Teoria generală a relativității) static, în loc să se contracte sau să se extindă. Ea a oferit o modalitate de a echilibra contracția gravitațională cauzată de materie. Odată ce s-a observat că universul era în expansiune, Einstein și-a eliminat în grabă constanta cosmologică. Cu toate acestea, dacă energia întunecată este descrisă prin ceva asemănător cu constanta cosmologică a lui Einstein, ea nu doar echilibrează gravitația pentru a menține un univers static, ci are o presiune negativă pentru a determina accelerarea expansiunii.
Au fost propuse și alte tipuri de energie întunecată, inclusiv un câmp cosmic asociat cu inflația și un câmp diferit, de joasă energie, numit „chintesență”.
Se crede că universul foarte timpuriu a trecut, de asemenea, printr-o perioadă de expansiune rapidă, numită inflație. Inflația, care a avut loc la aproximativ 10-36 de secunde după Big Bang, a acționat pentru a netezi universul și a-l face plat din punct de vedere geometric. Dacă densitatea universului este exact egală cu densitatea critică, atunci geometria universului este plată ca o foaie de hârtie. Pentru un univers dominat de materie, densitatea critică (echivalentă cu aproximativ 6 protoni pe m3) se situează exact între densitatea necesară pentru un univers greu, care se va prăbuși în cele din urmă, și densitatea necesară pentru un univers ușor, care se va extinde la nesfârșit. Atunci când astronomii măsoară cantitatea de materie și energie din universul actual, ei obțin doar aproximativ ~30% din ceea ce este necesar pentru ca universul să fie plat. Adăugarea energiei întunecate la bugetul de masă-energie face ca universul să fie plat. Cea mai simplă versiune a inflației prezice că densitatea universului este foarte apropiată de densitatea critică.
Spațiul WMAP a măsurat geometria universului. Dacă universul ar fi plat, cele mai strălucitoare fluctuații de fond cosmic de microunde (sau „pete”) ar avea un diametru de aproximativ 1 grad. WMAP a confirmat această dimensiune a spoturilor cu o precizie foarte mare. Acum știm că universul este plat cu o marjă de eroare de numai 2%.
Credit: P. Garnavich (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) și echipa High-z Supernova Search Team și NASA
Quintessența provine de la grecii antici, care foloseau termenul pentru a descrie un misterios „al cincilea element” – pe lângă aer, pământ, foc și apă. În timp ce constanta cosmologică este o formă specifică de energie, o energie a vidului, chintesența este o formă de energie dinamică, care evoluează în timp și care depinde de spațiu. Este un câmp cuantic cu energie cinetică și potențială.
În funcție de raportul dintre cele două energii și de presiunea pe care o exercită, quintessența poate fie să atragă, fie să respingă. Ea are o ecuație de stare (raportând presiunea sa p și densitatea ρ) de p = wρ, unde w este egală cu ecuația de stare a componentei energetice care domină universul. Dacă w suferă o tranziție la mai puțin de -1/3, aceasta inițiază o expansiune accelerată. Prin contrast, o constantă cosmologică este statică, cu o densitate de energie fixă și w = -1.
Există o serie de programe în curs de desfășurare care au ca scop să descopere mai multe despre energia întunecată. Un astfel de studiu implică măsurarea oscilațiilor acustice barionice (BAO).
Au fost propuse alternative la energia întunecată. Unii oameni de știință au propus că galaxia noastră se află în interiorul unei regiuni de densitate scăzută cauzată de trecerea unei unde de densitate. Este posibil ca Big Bang-ul să fi creat această undă pe scară largă în spațiu-timp. Pe măsură ce această undă primordială s-a deplasat prin univers, a lăsat în urmă o undă de densitate scăzută cu diametrul de câteva zeci de milioane de ani-lumină, în care se află acum Galaxia. Deși posibilă, această diferență în proprietățile spațiului-timp ar încălca principiul copernican care afirmă că universul, la scară mare, este omogen.
.