Mörk energi, repellerande kraft som är den dominerande komponenten (69,4 procent) i universum. Den återstående delen av universum består av vanlig materia och mörk materia. Mörk energi är, till skillnad från båda formerna av materia, relativt enhetlig i tid och rum och är gravitationellt repulsiv, inte attraktiv, inom den volym den upptar. Den mörka energins natur är fortfarande inte väl förstådd.
Foto AURA/STScI/NASA/JPL (NASA photo # STScI-PRC98-02a-js)
© Open University (A Britannica Publishing Partner)Se alla videor till den här artikeln
En typ av kosmisk repellerande kraft antogs för första gången av Albert Einstein 1917 och representerades av en term, den ”kosmologiska konstanten”, som Einstein motvilligt införde i sin allmänna relativitetsteori för att motverka gravitationens attraktionskraft och redogöra för ett universum som antogs vara statiskt (varken expanderande eller krympande). Efter att den amerikanske astronomen Edwin Hubble på 1920-talet upptäckte att universum inte är statiskt utan i själva verket expanderar, kallade Einstein tillägget av denna konstant för sitt ”största misstag”. Den uppmätta mängden materia i universums massa-energibudget var dock osannolikt låg, och därför krävdes någon okänd ”saknad komponent”, i likhet med den kosmologiska konstanten, för att kompensera för underskottet. Direkta bevis för existensen av denna komponent, som kallades mörk energi, presenterades för första gången 1998.
Den mörka energin upptäcks genom dess effekt på den hastighet med vilken universum expanderar och dess effekt på den hastighet med vilken storskaliga strukturer som galaxer och galaxhopar bildas genom gravitationsinstabiliteter. Mätningen av expansionshastigheten kräver användning av teleskop för att mäta avståndet (eller ljusets restid) för objekt som ses vid olika storleksskalor (eller rödförskjutningar) i universums historia. Dessa ansträngningar begränsas i allmänhet av svårigheten att exakt mäta astronomiska avstånd. Eftersom mörk energi motverkar gravitationen påskyndar mer mörk energi universums expansion och försenar bildandet av storskalig struktur. En teknik för att mäta expansionshastigheten är att observera den skenbara ljusstyrkan hos objekt med känd luminositet, t.ex. supernovor av typ Ia. Mörk energi upptäcktes 1998 med denna metod av två internationella team som bestod av de amerikanska astronomerna Adam Riess (författaren till den här artikeln) och Saul Perlmutter samt den australiensiske astronomen Brian Schmidt. De två grupperna använde åtta teleskop, bland annat från Keck-observatoriet och MMT-observatoriet. Supernovor av typ Ia som exploderade när universum bara var två tredjedelar av sin nuvarande storlek var svagare och därmed längre bort än vad de skulle vara i ett universum utan mörk energi. Detta innebar att universums expansionstakt är snabbare nu än tidigare, ett resultat av den mörka energins nuvarande dominans. (Mörk energi var försumbar i det tidiga universum.)
För att studera effekten av mörk energi på storskalig struktur måste man mäta subtila förvrängningar i galaxernas former som uppstår på grund av att rymden böjs av materia som ligger emellan, ett fenomen som kallas ”svag linsbildning”. Någon gång under de senaste miljarderna år blev den mörka energin dominerande i universum och förhindrade därmed att fler galaxer och galaxhopar bildades. Denna förändring i universums struktur avslöjas av svag linsbildning. Ett annat mått kommer från att räkna antalet kluster av galaxer i universum för att mäta rymdens volym och takten med vilken denna volym ökar. Målen för de flesta observationsstudier av mörk energi är att mäta dess tillståndsekvation (förhållandet mellan tryck och energitäthet), variationer i dess egenskaper och i vilken utsträckning mörk energi ger en fullständig beskrivning av gravitationsfysiken.
NASA/WMAP Science Team
I kosmologisk teori är mörk energi en allmän klass av komponenter i spänningsenergitensorn i fältekvationerna i Einsteins allmänna relativitetsteori. I denna teori finns det en direkt korrespondens mellan universums materia-energi (uttryckt i tensorn) och rumtidens form. Både materia- (eller energi-) tätheten (en positiv storhet) och det inre trycket bidrar till en komponents gravitationsfält. Medan välkända komponenter i spänningsenergitensorn, såsom materia och strålning, ger attraktiv gravitation genom att böja rumtiden, orsakar mörk energi repulsiv gravitation genom negativt inre tryck. Om förhållandet mellan trycket och energitätheten är mindre än -1/3, vilket är en möjlighet för en komponent med negativt tryck, kommer denna komponent att vara gravitationellt självavvisande. Om en sådan komponent dominerar universum kommer den att påskynda universums expansion.
Encyclopædia Britannica, Inc.
© MinutePhysics (A Britannica Publishing Partner)Se alla videor till den här artikeln
Den enklaste och äldsta förklaringen till mörk energi är att det är en energitäthet som är inneboende i det tomma utrymmet, eller en ”vakuumenergi”. Matematiskt sett motsvarar vakuumenergin Einsteins kosmologiska konstant. Trots att Einstein och andra förkastade den kosmologiska konstanten är den moderna förståelsen av vakuumet, som bygger på kvantfältsteori, att vakuumenergin uppstår naturligt från alla kvantfluktuationer (dvs. virtuella partikel-antipartikelpar som uppstår och kort därefter förintar varandra) i det tomma utrymmet. Den observerade tätheten av den kosmologiska vakuumenergitätheten är dock ~10-10 ergs per kubikcentimeter; det värde som förutsägs av kvantfältsteorin är ~10110 ergs per kubikcentimeter. Denna diskrepans på 10120 var känd redan före upptäckten av den mycket svagare mörka energin. En grundläggande lösning på detta problem har ännu inte hittats, men probabilistiska lösningar har föreslagits, motiverade av strängteorin och den möjliga existensen av ett stort antal osammanhängande universum. I detta paradigm förstås det oväntat låga värdet på konstanten som ett resultat av ett ännu större antal möjligheter (dvs. universum) för förekomsten av olika värden på konstanten och det slumpmässiga valet av ett värde som är tillräckligt litet för att möjliggöra bildandet av galaxer (och därmed stjärnor och liv).
En annan populär teori för mörk energi är att den är en övergående vakuumenergi som är resultatet av den potentiella energin i ett dynamiskt fält. Denna form av mörk energi, som kallas ”kvintessens”, skulle variera i tid och rum, vilket ger ett möjligt sätt att skilja den från en kosmologisk konstant. Den liknar också till mekanismen (även om den är mycket annorlunda i skala) den skalära fältenergi som åberopas i inflationsteorin om big bang.
En annan möjlig förklaring till den mörka energin är topologiska defekter i universums struktur. När det gäller inneboende defekter i rumtiden (t.ex. kosmiska strängar eller väggar) liknar produktionen av nya defekter när universum expanderar matematiskt en kosmologisk konstant, även om värdet av tillståndsekvationen för defekterna beror på om defekterna är strängar (endimensionella) eller väggar (tvådimensionella).
Det har också gjorts försök att modifiera gravitationen så att den förklarar både kosmologiska och lokala observationer utan att det behövs mörk energi. Dessa försök åberopar avvikelser från den allmänna relativitetsteorin på skalor av hela det observerbara universumet.
En stor utmaning för att förstå accelererad expansion med eller utan mörk energi är att förklara den relativt nya förekomsten (under de senaste miljarderna år) av nära nog jämlikhet mellan tätheten av mörk energi och mörk materia trots att de måste ha utvecklats på olika sätt. (För att kosmiska strukturer ska ha bildats i det tidiga universum måste den mörka energin ha varit en obetydlig komponent). Detta problem är känt som ”tillfällighetsproblemet” eller ”finjusteringsproblemet”. Att förstå den mörka energins natur och de många relaterade problemen är en av de mest formidabla utmaningarna inom den moderna fysiken.