Pimeä energia

Historia

Yleisen suhteellisuusteorian mukaan maailmankaikkeus voi olla avoin, laakea tai suljettu riippuen massatiheydestä. Pimeän energian olemassaololla spekuloitiin jo 1960-luvulla, kun kävi ilmeiseksi, että galaksien tähtien massa ei riitä siihen, että maailmankaikkeuden geometria olisi laakea. Laskelmissa maailmankaikkeus saatiin laakeaksi joko lisäämällä aineen määrää tai olettamalla voima, joka kiihdyttää avaruuden laajenemista.
1980-luvulla kehitetty inflaatioteoria antoi vahvistusta oletukselle, että maailmankaikkeus olisi laakea. Inflaatioteorian mukaan minkä tahansa muotoinen maailmankaikkeus muokkautuu laakeaksi pian alkuräjähdyksen jälkeen tapahtuvassa inflaatiossa.

Havainnot

Vuonna 1998 kaksi tutkimusryhmää laski maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden vaihtelut mittaamalla eri etäisyyksillä olevia Ia-tyypin supernovia. Tällaisten supernovien absoluuttinen magnitudi on aina sama, minkä ansiosta supernovan etäisyys on laskettavissa näennäisen magnitudin perusteella. Supernovan punasiirtymä osoittaa, millä nopeudella se etääntyy Maasta. Näiden tietojen perusteella voidaan laskea, millä nopeudella maailmankaikkeus on laajentunut supernovan räjähdyshetkellä. Tulokset osoittivat, että maailmankaikkeuden laajeneminen on alkanut kiihtyä 5–7 miljardia vuotta sitten. Vuonna 2006 Hubble-avaruusteleskoopilla tehdyt tutkimukset kaukaisista Ia-tyypin supernovista vahvistivat, että pimeän energian voimakkuus on pysynyt vakiona viimeisten yhdeksän miljardin vuoden ajan.
Myös maailmankaikkeuden iänmääritys viittaa kiihtyvään laajenemiseen. Ennen pimeän energian havaitsemista maailmankaikkeuden laajenemisen oletettiin hidastuvan ajan mittaan ja keskimääräinen laajenemisnopeus laskettiin Hubble-teleskoopilla kefeideistä otettujen kuvien perusteella. Maailmankaikkeuden iäksi saatiin noin 9 miljardia vuotta. Linnunradasta on kuitenkin löytynyt yli 13 miljardin vuoden ikäisiä tähtiä. Kun laskelmissa huomioitiin supernovahavaintojen mukainen kiihtyvä laajeneminen, maailmankaikkeuden iäksi saatiin noin 13,7 miljardia vuotta, jolloin maailmankaikkeus osoittautui tähtiään vanhemmaksi. Tämänhetkinen arvio maailmankaikkeuden iästä on noin 13,82 miljardia vuotta.
Vuonna 2000 tutkijat mittasivat Linnunrataa lähellä olevien galaksien liikkeitä ja totesivat, että jokin voima vastustaa painovoimaa ja työntää galakseja poispäin toisistaan. Vuonna 2011 julkaistiin 200 000 galaksin liikkeitä seurannut tutkimus, joka vahvisti, että pimeän energian vaikutus on pysynyt samanlaisena viimeisten seitsemän miljardin vuoden aikana. Galaksien liikkeet ovat supernovista riippumaton todiste pimeän energian olemassaolosta.
Maailmankaikkeus osoittautui laakeaksi WMAP-satelliitin kosmisesta taustasäteilystä tekemien mittausten perusteella vuosina 2003–2008. Myöhemmin Planck-satelliitti on vahvistanut, että maailmankaikkeuden tavallinen ja pimeä aine yhteensä kattavat vain 31,7 % laakeuteen vaadittavasta kriittisestä tiheydestä, joten loput 68,3 % maailmankaikkeuden massaenergiasta on pimeää energiaa. Tämä on tarkin arvio pimeän energian määrästä ja kolmas todiste pimeän energian olemassaolosta. Planck-satelliitin tulokset ovat kuitenkin osittain ristiriidassa Hubble-teleskoopin mittausten kanssa. Planck-satelliitin mukaan maailmankaikkeuden laajenemisnopeutta kuvaava Hubblen vakio on noin 67,4 km/s/Mpc, kun taas Hubble-teleskoopin mukaan se on noin 73,5 km/s/Mpc. Planckin tulokset perustuvat varhaisen maailmankaikkeuden laajenemisnopeuteen ja Hubblen tulokset nykyiseen laajenemisnopeuteen, mutta molemmissa laskelmissa on huomioitu supernovahavaintojen mukainen kiihtyvä laajeneminen, joten molemmat eivät voi olla oikeassa, mikäli pimeän energian voimakkuus on vakio.
Vuonna 2019 julkaistiin tutkimus, jossa mitattiin maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden muutoksia kaukaisten kvasaarien avulla. Tutkijat ovat kehittäneet menetelmän, jossa kvasaarin etäisyys on laskettavissa eri aallonpituuksilla otettujen kuvien avulla. Tulokset ovat sopusoinnussa supernovahavaintojen kanssa niiden yhdeksän miljardin vuoden osalta, minkä supernovahavainnot kattavat. Kvasaarit ovat kuitenkin paljon supernovia kirkkaampia, joten niitä löydetään miljardeja valovuosia kauempaakin. Tutkitut etäiset kvasaarit viittaavat avaruuden laajenemisen olleen oletettua hitaampaa 1,1–2,3 miljardin vuoden ikäisessä maailmankaikkeudessa. Jos tarkemmat havainnot vahvistavat tämän tulevaisuudessa todeksi, se tarkoittaisi, että sekä Planck-satelliitin että Hubble-teleskoopin tulokset voisivat olla oikeassa, mutta yleisen suhteellisuusteorian kosmologinen vakio ei olisikaan vakio. Tällöin pimeä energia ei voisi olla tyhjiöenergiaa.

Ehdotuksia pimeäksi energiaksi

Tyhjiöenergia: Jos pimeä energia on yhtä voimakasta joka paikassa kaikkina aikoina, laajeneminen lienee tyhjän avaruuden ominaisuus. Tällöin pimeä energia voitaisiin huomioida yleisessä suhteellisuusteoriassa käyttämällä kosmologista vakiota, jolla olisi nollasta poikkeava arvo. Ongelmana on se, että kokeiden perusteella Casimirin ilmiön aiheuttava tyhjiöenergia on 10¹²⁰ kertaa voimakkaampi voima kuin kosmologisista havainnoista laskettu avaruuden laajenemista kiihdyttävä voima, eikä mikään teoria selitä, mistä ero johtuu.
Kvintessenssi: Kvintessenssillä tarkoitetaan, että maailmankaikkeuden laajenemista kiihdyttävä voima olisi jokin tuntematon kvanttikenttä. Ongelmana on selittää, miksi kiihtyminen on havaintojen perusteella kasvanut ainakin viimeiset yhdeksän miljardia vuotta samassa suhteessa avaruuden laajenemisen kanssa eli samalla tavalla kuin tyhjiöenergia kiihdyttäisi laajenemista.