Zhruba 68 % všeho, co existuje, tvoří něco, co žádný přístroj nikdy přímo nezaznamenal: temná energie. Kosmologové v současnosti odhadují podíl temné hmoty na 27 % a podíl běžných atomů — látky, z níž jsou hvězdy, planety i lidé — na pouhých 5 %. Přestože svou vahou převyšuje vše ostatní dohromady, temná energie zůstala bezejmenná a nepovšimnutá až do posledních let dvacátého století.
To se změnilo v roce 1998, kdy dva soupeřící týmy zkoumající explodující hvězdy zjistily, že rozpínání vesmíru se zrychluje, místo aby zpomalovalo. Výsledek byl natolik nečekaný, že přiměl fyziky vrátit se k myšlence, kterou Albert Einstein zavedl a poté před desítkami let opustil.
Tento článek popisuje, co tato pozorování ve skutečnosti ukázala, jak je potvrzuje nejstarší světlo vesmíru a proč je vysvětlení temné energie stále považováno za jeden z nejtěžších nevyřešených problémů fyziky.
Chybějících 68 procent vesmíru
Rozdělení 68/27/5 je současným nejlepším kosmologickým odhadem všeho, co existuje, a se zdokonalováním přístrojů se stále zpřesňuje. Data z družice Planck Evropské kosmické agentury odhadla podíl temné hmoty na 26,8 %, což je téměř o pětinu více, než naznačovaly dřívější odhady — což je znamení, že i „ustálená“ čísla v kosmologii jsou stále pohyblivým cílem.
Na temné energii je podivné to, jak dominuje kosmickému účtu, přestože téměř neexistuje. Její hustota činí přibližně 7×10⁻³⁰ gramů na krychlový centimetr, což odpovídá zhruba 6×10⁻¹⁰ joulu hmoty-energie na krychlový metr — hluboko pod hodnotami, jakých dosahuje běžná nebo temná hmota nahuštěná uvnitř galaxie. Ve výsledné bilanci vítězí nikoli tím, že by se někde koncentrovala, ale prostě tím, že je všude zároveň, takže její celkový účinek roste společně s rozpínáním samotného vesmíru.
Omyl, který se nakonec ukázal jako správný
Dlouho předtím, než kdokoli naměřil zrychlování, měl Einstein už hotový matematický nástroj, který ho nakonec popsal. Do svých gravitačních rovnic přidal další člen speciálně proto, aby umožnil statický, neměnný vesmír, což byl v jeho době standardní předpoklad. Když pozdější pozorování ukázala, že se vesmír naopak rozpíná, Einstein svou vlastní úpravu zavrhl a označil ji za omyl.
Tento opuštěný člen zůstal do značné míry zapomenut, dokud jej kosmolog Michael S. Turner neoživil pod novým názvem. V článku, který v roce 1998 napsal se Saulem Perlmutterem a Martinem Whitem, Turner vytvořil termín „temná energie“ pro sílu stojící za nově objeveným zrychlováním — čímž fakticky rehabilitoval myšlenku, kterou Einstein zavrhl.
Explodující hvězdy, které přepsaly kosmologii
Průlom přišel v roce 1998, kdy dvě soupeřící skupiny — Supernova Cosmology Project na jedné straně a High-Z Supernova Search Team na druhé — nezávisle na sobě použily vzdálené supernovy typu Ia ke sledování toho, jak se tempo kosmického rozpínání měnilo v průběhu miliard let.
Tyto konkrétní supernovy slouží jako spolehlivá kosmická měřítka díky tomu, jak konzistentně vybuchují. Vznikají, když hmotnost bílého trpaslíka tvořeného uhlíkem a kyslíkem naroste k hodnotě zhruba 1,44 hmotnosti Slunce, tedy hranici, za níž se hvězda už neudrží pohromadě. Protože je tato hranice u jednotlivých hvězd téměř totožná, dosahují výsledné exploze srovnatelné maximální jasnosti, což oběma týmům umožnilo použít je k odhadu vzdáleností. Když byly tyto vzdálenosti porovnány s mírou rudého posuvu světla, čísla dávala smysl jedině tehdy, pokud se samotné rozpínání zrychlovalo.
Nejstarší světlo vesmíru
Příběh temné energie prochází i nejstarším světlem, jaké astronomové mohou pozorovat. Reliktní záření bylo objeveno zcela náhodou v roce 1965, kdy dva výzkumníci z Bell Labs, Arno Penzias a Robert Wilson, pátrali po zdroji rádiového rušení a místo toho narazili na slabou záři pokrývající celou oblohu.
Tato záře je momentkou vesmíru z doby zhruba 375 000 let po jeho vzniku, kdy vše ještě tvořila horká, hustá polévka částic. Jak se od té doby prostor rozpínal, rozpínalo se s ním i samotné světlo a dnes už je ochlazené na mikrovlnné vlnové délky odpovídající pouhým 2,7 stupně nad absolutní nulou. V roce 1992 družice NASA Cosmic Background Explorer zjistila, že tato záře není dokonale hladká — nese nepatrné teplotní odchylky napříč oblohou, a právě mapování těchto odchylek se stále větší přesností nakonec přivedlo kosmology k dnešnímu poměru 68/27/5.
Nejhorší předpověď fyziky
Vědět, že temná energie existuje, je jedna věc; vysvětlit, co skutečně je, je mnohem těžší. Jedna z předních teorií ji chápe jako vnitřní energii prázdného prostoru, tedy vakua popsaného kvantovou teorií pole. Problém je v tom, že když se fyzici pokusí vypočítat, kolik energie by toto vakuum mělo nést, výsledek převyšuje skutečně pozorovanou hodnotu asi o 120 řádů — propast tak obrovská, že ji někteří vědci označují za nejméně přesný výpočet v historii fyziky. Žádná úprava matematiky tuto propast nezmenšila, což je velkým důvodem, proč je temná energie stále považována za nevyřešenou záležitost.
Testování Einsteina v kosmickém měřítku
Pokud temná energie neexistuje, musí zrychlování vysvětlovat něco jiného — a hlavní alternativou je, že Einsteinova vlastní teorie gravitace přestává platit při dostatečně velkých vzdálenostech, což umožňuje prostoru rozpínat se rychleji, než ho dokáže gravitace brzdit. Vyvrácení této možnosti trvalo desítky let a stalo se možným až poté, co astronomové dokázali přímo měřit gravitační vlny.
GW170817, první gravitační vlna potvrzená i negravitačními pozorováními, umožnila fyzikům dostatečně přesně změřit rychlost gravitace, aby mohli vyloučit mnoho teorií modifikované gravitace navržených jako alternativa k temné energii.
Argumenty pro měnící se vesmír
Příběh ještě nekončí. Kolaborace Dark Energy Spectroscopic Instrument v březnu 2025 oznámila, že síla temné energie možná není konstantní. Kombinací dat instrumentu o baryonových akustických oscilacích s měřením reliktního záření, přehlídkami slabého gravitačního čočkování a katalogy supernov tým našel důkazy o temné energii, která se v čase mění, se statistickou spolehlivostí pohybující se od 2,8 do 4,2 sigma v závislosti na tom, které soubory dat byly kombinovány.
Tento výsledek je zajímavý, ale zatím není rozhodující, a skutečná povaha temné energie tak zůstává otevřenou otázkou i desítky let poté, co jí Turner poprvé dal jméno.