Energia întunecată, forță de respingere care este componenta dominantă (69,4%) a universului. Restul universului este format din materie obișnuită și materie întunecată. Energia întunecată, spre deosebire de ambele forme de materie, este relativ uniformă în timp și spațiu și este repulsivă din punct de vedere gravitațional, nu atractivă, în volumul pe care îl ocupă. Natura energiei întunecate nu este încă bine înțeleasă.
Foto AURA/STScI/NASA/JPL (fotografie NASA # STScI-PRC98-02a-js)
© Open University (A Britannica Publishing Partner)See all videos for this article
Un fel de forță cosmică de respingere a fost emisă pentru prima dată ca ipoteză de Albert Einstein în 1917 și a fost reprezentată de un termen, „constanta cosmologică”, pe care Einstein a introdus-o cu reticență în teoria sa a relativității generale pentru a contracara forța de atracție a gravitației și pentru a explica un univers presupus a fi static (nici în expansiune, nici în contracție). După ce, în anii 1920, astronomul american Edwin Hubble a descoperit că universul nu este static, ci, de fapt, este în expansiune, Einstein s-a referit la adăugarea acestei constante ca fiind „cea mai mare gafă a sa”. Cu toate acestea, cantitatea de materie măsurată în bugetul masă-energie al universului era improbabil de mică și, prin urmare, era necesară o „componentă lipsă” necunoscută, asemănătoare constantei cosmologice, pentru a compensa deficitul. Dovada directă a existenței acestei componente, care a fost supranumită energie întunecată, a fost prezentată pentru prima dată în 1998.
Energia întunecată este detectată prin efectul său asupra vitezei de expansiune a universului și prin efectul său asupra vitezei de formare a structurilor la scară mare, cum ar fi galaxiile și roiurile de galaxii, prin instabilități gravitaționale. Măsurarea ratei de expansiune necesită utilizarea telescoapelor pentru a măsura distanța (sau timpul de deplasare a luminii) a obiectelor observate la diferite scări de mărime (sau deplasări spre roșu) în istoria universului. Aceste eforturi sunt, în general, limitate de dificultatea de a măsura cu exactitate distanțele astronomice. Deoarece energia întunecată acționează împotriva gravitației, o cantitate mai mare de energie întunecată accelerează expansiunea universului și întârzie formarea structurilor la scară mare. O tehnică de măsurare a ratei de expansiune constă în observarea strălucirii aparente a obiectelor cu luminozitate cunoscută, cum ar fi supernovele de tip Ia. Energia întunecată a fost descoperită în 1998 cu ajutorul acestei metode de către două echipe internaționale din care făceau parte astronomii americani Adam Riess (autorul acestui articol) și Saul Perlmutter și astronomul australian Brian Schmidt. Cele două echipe au folosit opt telescoape, inclusiv cele ale Observatorului Keck și ale Observatorului MMT. Supernovele de tip Ia care au explodat când universul avea doar două treimi din dimensiunea sa actuală au fost mai slabe și, prin urmare, mai îndepărtate decât ar fi fost într-un univers fără energie întunecată. Acest lucru a însemnat că rata de expansiune a universului este mai rapidă acum decât în trecut, un rezultat al dominației actuale a energiei întunecate. (Energia întunecată a fost neglijabilă în universul timpuriu.)
Studierea efectului energiei întunecate asupra structurii la scară largă implică măsurarea unor distorsiuni subtile în formele galaxiilor care rezultă din curbarea spațiului de către materia care intervine, un fenomen cunoscut sub numele de „lentilă slabă”. La un moment dat, în ultimele câteva miliarde de ani, energia întunecată a devenit dominantă în univers și a împiedicat astfel formarea mai multor galaxii și roiuri de galaxii. Această schimbare în structura universului este evidențiată de lentila slabă. O altă măsură provine din numărarea numărului de roiuri de galaxii din univers pentru a măsura volumul spațiului și ritmul în care acest volum crește. Obiectivele majorității studiilor observaționale ale energiei întunecate sunt de a măsura ecuația de stare a acesteia (raportul dintre presiunea și densitatea energetică), variațiile proprietăților sale și gradul în care energia întunecată oferă o descriere completă a fizicii gravitaționale.
NASA/WMAP Science Team
În teoria cosmologică, energia întunecată este o clasă generală de componente din tensorul tensiune-energie al ecuațiilor de câmp din teoria relativității generale a lui Einstein. În această teorie, există o corespondență directă între materia-energie a universului (exprimată în tensor) și forma spațiului-timp. Atât densitatea materiei (sau a energiei) (o mărime pozitivă), cât și presiunea internă contribuie la câmpul gravitațional al unei componente. În timp ce componentele familiare ale tensorului tensiune-energie, cum ar fi materia și radiația, asigură o gravitație atractivă prin curbarea spațiului-timp, energia întunecată provoacă o gravitație repulsivă prin presiunea internă negativă. Dacă raportul dintre presiunea și densitatea de energie este mai mic de -1/3, o posibilitate pentru o componentă cu presiune negativă, acea componentă va fi autorepulsivă din punct de vedere gravitațional. Dacă o astfel de componentă domină universul, ea va accelera expansiunea universului.
Encyclopædia Britannica, Inc.
© MinutePhysics (A Britannica Publishing Partner)Vezi toate videoclipurile pentru acest articol
Cea mai simplă și cea mai veche explicație pentru energia întunecată este că aceasta este o densitate de energie inerentă spațiului gol, sau o „energie a vidului”. Din punct de vedere matematic, energia vidului este echivalentă cu constanta cosmologică a lui Einstein. În ciuda respingerii constantei cosmologice de către Einstein și alții, înțelegerea modernă a vidului, bazată pe teoria cuantică a câmpurilor, este că energia vidului apare în mod natural din totalitatea fluctuațiilor cuantice (adică perechile virtuale de particule-antiparticule care iau naștere și se anihilează reciproc la scurt timp după aceea) în spațiul gol. Cu toate acestea, densitatea observată a densității de energie cosmologică a vidului este de ~10-10 ergs pe centimetru cub; valoarea prezisă de teoria cuantică a câmpurilor este de ~10110 ergs pe centimetru cub. Această discrepanță de 10120 era cunoscută chiar înainte de descoperirea energiei întunecate mult mai slabe. Deși nu a fost găsită încă o soluție fundamentală la această problemă, au fost propuse soluții probabilistice, motivate de teoria corzilor și de posibila existență a unui număr mare de universuri deconectate. În această paradigmă, valoarea neașteptat de scăzută a constantei este înțeleasă ca fiind rezultatul unui număr și mai mare de oportunități (adică de universuri) pentru apariția unor valori diferite ale constantei și selectarea aleatorie a unei valori suficient de mici pentru a permite formarea galaxiilor (și, prin urmare, a stelelor și a vieții).
O altă teorie populară pentru energia întunecată este că aceasta este o energie tranzitorie a vidului care rezultă din energia potențială a unui câmp dinamic. Cunoscută sub numele de „chintesență”, această formă de energie întunecată ar varia în spațiu și timp, oferind astfel o posibilă modalitate de a o distinge de o constantă cosmologică. De asemenea, este similară ca mecanism (deși foarte diferită ca scară) cu energia câmpului scalar invocată în teoria inflaționistă a big bang-ului.
O altă posibilă explicație pentru energia întunecată este reprezentată de defectele topologice din țesătura universului. În cazul defectelor intrinseci în spațiu-timp (de exemplu, corzi sau pereți cosmici), producerea de noi defecte pe măsură ce universul se extinde este similară din punct de vedere matematic cu o constantă cosmologică, deși valoarea ecuației de stare pentru defecte depinde de faptul dacă defectele sunt corzi (unidimensionale) sau pereți (bidimensionale).
Au existat, de asemenea, încercări de a modifica gravitația pentru a explica atât observațiile cosmologice, cât și cele locale, fără a fi nevoie de energie întunecată. Aceste încercări invocă abateri de la relativitatea generală la scări ale întregului univers observabil.
O provocare majoră pentru înțelegerea expansiunii accelerate cu sau fără energie întunecată este explicarea apariției relativ recente (în ultimele câteva miliarde de ani) a unei aproape egalități între densitatea energiei întunecate și cea a materiei întunecate, chiar dacă acestea trebuie să fi evoluat diferit. (Pentru ca structurile cosmice să se fi format în universul timpuriu, energia întunecată trebuie să fi fost o componentă nesemnificativă). Această problemă este cunoscută sub numele de „problema coincidenței” sau „problema acordării fine”. Înțelegerea naturii energiei întunecate și a numeroaselor probleme conexe este una dintre cele mai formidabile provocări din fizica modernă.
.