Pimeä energia: voima, joka muodostaa 68 % universumista

Noin 68 % kaikesta olemassa olevasta on jotain, jota mikään laite ei ole koskaan suoraan havainnut: pimeä energia. Kosmologit arvioivat nykyisin pimeän aineen osuudeksi 27 % ja tavallisten atomien — tähtien, planeettojen ja ihmisten rakennusaineen — osuudeksi vain 5 %. Vaikka pimeä energia painaa vaakakupissa enemmän kuin kaikki muu yhteensä, se pysyi nimettömänä ja huomaamattomana kahdennenkymmenennen vuosisadan viimeisiin vuosiin asti.

Tilanne muuttui vuonna 1998, kun kaksi kilpailevaa tutkimusryhmää, jotka tutkivat räjähtäviä tähtiä, havaitsivat, että universumin laajeneminen kiihtyy sen sijaan, että hidastuisi. Tulos oli niin odottamaton, että se johdatti fyysikot takaisin ajatukseen, jonka Albert Einstein oli esittänyt ja sitten hylännyt vuosikymmeniä aiemmin.

Tämä artikkeli käy läpi, mitä näissä havainnoissa todella ilmeni, miten universumin vanhin valo tukee niitä, ja miksi pimeän energian selittämistä pidetään edelleen yhtenä fysiikan vaikeimmista ratkaisemattomista ongelmista.

Jako 68/27/5 on kosmologian tämänhetkinen parhain arvio kaikesta olemassa olevasta, ja sitä tarkennetaan jatkuvasti mittalaitteiden kehittyessä. Euroopan avaruusjärjestön (ESA) Planck-satelliitin tiedot asettivat pimeän aineen osuudeksi 26,8 %, mikä on lähes viidenneksen enemmän kuin aiemmat arviot antoivat ymmärtää — merkki siitä, että kosmologian "vakiintuneetkin" luvut ovat edelleen liikkuvia maaleja.

Pimeän energian tekee oudoksi se, miten se hallitsee kosmista kokonaisuutta ollessaan itse tuskin lainkaan olemassa. Sen tiheys on noin 7×10⁻³⁰ grammaa kuutiosenttimetriä kohti, mikä vastaa noin 6×10⁻¹⁰ joulea kuutiometriä kohti massa-energiana — kaukana siitä, mihin tavallinen aine tai pimeä aine yltää tiivistyneenä galaksin sisällä. Se voittaa laskelman ei keskittymällä minnekään, vaan yksinkertaisesti olemalla kaikkialla samanaikaisesti, jolloin sen kokonaisvaikutus kasvaa universumin itsensä kasvaessa.

Kauan ennen kuin kukaan mittasi kiihtyvyyttä, Einstein oli jo rakentanut matemaattisen työkalun, joka lopulta kuvaisi sitä. Hän lisäsi gravitaatioyhtälöihinsä ylimääräisen termin nimenomaan sallimaan staattisen, muuttumattoman universumin, joka oli hänen aikansa vakiintunut olettamus. Kun myöhemmät havainnot osoittivat, että kosmos sen sijaan laajenee, Einstein hylkäsi oman korjauksensa ja kutsui sitä erehdykseksi.

Tämä hylätty termi oli suurelta osin unohduksissa, kunnes kosmologi Michael S. Turner herätti käsitteen uudelleen uudella nimellä. Vuonna 1998 Saul Perlmutterin ja Martin Whiten kanssa kirjoittamassaan artikkelissa Turner loi termin "pimeä energia" kuvaamaan voimaa, joka ajoi vasta löydettyä kiihtyvyyttä — ja kuntoutti tosiasiassa juuri sen idean, jonka Einstein oli hylännyt.

Läpimurto tapahtui vuonna 1998, kun kaksi kilpailevaa ryhmää — Supernova Cosmology Project toisella puolella ja High-Z Supernova Search Team toisella — käyttivät toisistaan riippumatta kaukaisia Ia-tyypin supernovia seuratakseen, miten kosmisen laajenemisen vauhti on muuttunut miljardien vuosien aikana.

Nämä erityiset supernovat toimivat luotettavina kosmisina mittatikkuina, koska ne räjähtävät niin johdonmukaisesti. Ne syntyvät, kun hiili-happi-valkoisen kääpiön massa nousee noin 1,44 aurinkomassaan, kynnysarvoon, jonka jälkeen tähti ei enää pysty pitämään itseään koossa. Koska tämä raja on lähes samanlainen tähdestä toiseen, syntyvät räjähdykset saavuttavat vertailukelpoisen huippukirkkauden, minkä ansiosta molemmat ryhmät pystyivät käyttämään niitä etäisyyden mittaamiseen. Kun näitä etäisyyksiä verrattiin siihen, kuinka paljon valo oli punasiirtynyt, luvut olivat järkeviä vain, jos itse laajeneminen kiihtyi.

Pimeän energian tarina kulkee myös läpi vanhimman valon, jota tähtitieteilijät voivat havaita. Kosminen taustasäteily löydettiin täysin vahingossa vuonna 1965, kun kaksi Bell Labsin tutkijaa, Arno Penzias ja Robert Wilson, jäljittivät radiohäiriön lähdettä ja törmäsivät sen sijaan heikkoon hohtoon, joka peitti koko taivaan.

Tämä hohde on tilannekuva kosmoksesta noin 375 000 vuoden takaa sen syntymästä, ajalta, jolloin kaikki oli yhä kuuma, tiivis hiukkasten liemi. Kun avaruus on sittemmin laajentunut, valo itse on laajentunut sen mukana ja jäähtynyt mikroaaltoaallonpituuksiin, jotka vastaavat nykyään vain 2,7 astetta absoluuttisen nollapisteen yläpuolella. Vuonna 1992 NASAn Cosmic Background Explorer -satelliitti havaitsi, että tämä hohde ei ole täysin tasainen — se sisältää pieniä lämpötilavaihteluita eri puolilla taivasta, ja näiden vaihteluiden kartoittaminen yhä tarkemmin on se, miten kosmologit päätyivät nykyiseen 68/27/5-reseptiin.

Tietäminen, että pimeä energia on olemassa, on eri asia kuin selittää, mitä se todella on — ja jälkimmäinen on paljon vaikeampaa. Yksi johtava ajatus pitää sitä tyhjän avaruuden sisäisenä energiana, kvanttikenttäteorian kuvaamana tyhjiönä. Ongelma on siinä, että kun fyysikot yrittävät laskea, kuinka paljon energiaa tämän tyhjiön pitäisi sisältää, tulos ylittää sen, mitä todellisuudessa havaitaan, noin 120 kertaluokalla — kuilu on niin valtava, että jotkut tutkijat pitävät sitä fysiikan epätarkimpana koskaan tehtynä laskelmana. Mikään matematiikan säätö ei ole umpeuttanut tätä kuilua, mikä on suuri syy siihen, miksi pimeää energiaa pidetään edelleen ratkaisemattomana kysymyksenä.

Jos pimeä energia ei ole todellinen, jonkin muun on selitettävä kiihtyvyys — ja johtava vaihtoehto on, että Einsteinin oma painovoimateoria pettää riittävän suurilla etäisyyksillä, jolloin avaruus voi laajentua nopeammin kuin painovoima pystyy sitä hillitsemään. Tämän mahdollisuuden poissulkeminen kesti vuosikymmeniä, ja se onnistui vasta, kun tähtitieteilijät pystyivät mittaamaan gravitaatioaaltoja suoraan.

GW170817, ensimmäinen gravitaatioaalto, joka vahvistettiin tarkasti myös ei-gravitaatioperäisten havaintojen avulla, antoi fyysikoille mahdollisuuden mitata painovoiman nopeuden riittävän tarkasti sulkeakseen pois useita muokatun painovoiman teorioita, joita oli ehdotettu vaihtoehdoiksi pimeälle energialle.

Tarina ei ole ohi. Dark Energy Spectroscopic Instrument -yhteistyöhanke raportoi maaliskuussa 2025, että pimeän energian voimakkuus ei välttämättä olekaan vakio. Yhdistämällä instrumentin baryonisten akustisten värähtelyjen data kosmisen taustasäteilyn mittauksiin, heikon linssi-ilmiön kartoituksiin ja supernovaluetteloihin, tiimi löysi todisteita ajan myötä muuttuvasta pimeästä energiasta, ja tilastollinen luottamus vaihteli 2,8 ja 4,2 sigman välillä riippuen siitä, mitkä aineistot yhdistettiin.

Tulos on kiehtova, mutta ei vielä vahvistettu, minkä vuoksi pimeän energian todellinen luonne on edelleen avoin kysymys vuosikymmeniä sen jälkeen, kun Turner ensimmäisenä antoi sille nimen.

• NASA: WMAP-katsaus
• ESA: Planck paljastaa lähes täydellisen universumin
• Phys.org: Pyrkimys ratkaista Einsteinin teoriaan liittyvä arvoitus
• Scientific American: Kosmologian loppu?
• Wikipedia: Pimeä energia
• Wikipedia: Universumin kiihtyvä laajeneminen
• Wikipedia: Kosmologinen vakio
• Wikipedia: Ia-tyypin supernova