Ciemna energia — przyczyny i modele przyspieszającej ekspansji Wszechświata

Ciemna energia to termin używany w kosmologii dla opisania nieznanej przyczyny obserwowanej przyspieszającej ekspansji wszechświata. Pomiary jasności i przesunięć ku czerwieni odległych typu Ia supernowych oraz analizy mikrofalowego promieniowania tła i skali oscylacji akustycznych w rozkładzie galaktyk wskazują, że przestrzeń kosmiczna rozszerza się coraz szybciej niż wynikałoby to z grawitacyjnego przyciągania widocznej i ciemnej materii. Odległe galaktyki wydają się oddalać od nas z dużą prędkością, co oznacza, że rozszerzanie wszechświata, zapoczątkowane po Wielkim Wybuchu, przyspiesza. Pomiary są obecnie wystarczająco dokładne, aby astronomowie mogli stwierdzić, że obserwowane tempo wzrostu skali kosmicznej wzrasta, czyli że galaktyki wydają się przyspieszać, oddalając się od nas.

Termin „ciemna energia” nie oznacza konkretnej znanej substancji, lecz raczej brakujący składnik w równaniach opisujących dynamikę kosmologiczną; w praktyce jest to nazwa zbiorcza dla efektu prowadzącego do działania przeciwnie skierowanego do zwykłej grawitacji. Niektórzy badacze traktują ten efekt jako własność samej przestrzeni — stałą kosmologiczną — inni rozważają pola kwantowe o zmiennym w czasie stanie energetycznym lub modyfikacje teorii grawitacji. Wydaje się, że w pustej przestrzeni istnieje coś, co zapewnia odpychającą siłę, prowadzącą do przyspieszonej ekspansji.

Kosmolodzy i fizycy obserwacyjni zestawiają różne rodzaje danych (supernowe typu Ia, analizy kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła, baryonowe oscylacje akustyczne i pomiary struktury wielkoskalowej), aby określić ilościowe własności ciemnej energii. Współczesne konsensusy obserwacyjne sugerują, że skład energetyczny Wszechświata składa się w dużej części z tego składnika — wartości szacunkowe wskazują, że ciemna energia odpowiada za znaczną część całkowitej gęstości energii kosmicznej — jednak dokładna liczba zależy od przyjętego modelu i zbioru danych.

Istnieje szereg proponowanych wyjaśnień. Najprostsze z nich to stała kosmologiczna (oznaczana Λ) w równaniach Einsteina, która odpowiada stałej gęstości energii próżni; alternatywy obejmują możliwość istnienia słabego, przestrzennie rozłożonego pola skalarnego (tzw. quintessencja) albo modyfikacje ogólnej teorii względności na dużych skalach. Żaden z proponowanych scenariuszy nie jest obecnie powszechnie zaakceptowany: szczególnie trudny jest tzw. problem energii próżni, czyli duża rozbieżność między wartościami oczekiwanymi na podstawie prostych rachunków kwantowych a wartością wymagającą się z obserwacji (w literaturze spotyka się bardzo dużą różnicę liczbową).

Badania nad ciemną energią pozostają aktywnym obszarem naukowym. Programy obserwacyjne i misje kosmiczne mają za zadanie precyzyjniej zmierzyć tempo ekspansji, zależność równania stanu ciemnej energii (parametr często oznaczany w literaturze jako w) oraz ewentualne odchylenia od modelu ΛCDM. Artykuł naukowy z 2011 roku podkreślał problem dla fizyki teoretycznej; od tego czasu akumulacja nowych danych zawęża obszary dopuszczalnych modeli, ale nie przyniosła jeszcze przekonującego rozwiązania.