Pimeä energia
Pimeä energia on eräissä kosmologisissa teorioissa oletettua energiaa, joka täyttää koko avaruuden ja jolla on negatiivinen paine. Pimeä energia työntää galaksijoukkoja poispäin toisistaan. Galaksit itsessään eivät laajene, koska gravitaatio on paljon voimakkaampi voima kuin pimeä energia. Pimeän energian luonnetta tai mahdollista välittäjähiukkasta ei tunneta.
Planck-satelliitin mittausten perusteella pimeän energian osuus maailmankaikkeuden massaenergiasta on 68,3 %. Pimeän aineen osuus on 26,8 % ja tavallisen aineen 4,9 %.
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.
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.
Myös maailmankaikkeuden iänmääritys viittaa kiihtyvään laajenemiseen. Ennen pimeän energian havaitsemista maailmankaikkeuden laajenemisen oletettiin hidastuvan ajan mittaan ja keskimääräinen laajenemisnopeus laskettiin Hubble-avaruuskaukoputkella 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.
"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 10 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 samassa suhteessa avaruuden laajenemisen kanssa eli samalla tavalla kuin tyhjiöenergia kiihdyttäisi laajenemista.