Mørk energi: Kraften bak 68 % av universet

Rundt 68 % av alt som finnes, er noe intet instrument noensinne har oppdaget direkte: mørk energi. Kosmologer anslår i dag mørk materies andel til 27 %, og vanlige atomer — stoffet stjerner, planeter og mennesker er laget av — til bare 5 %. Selv om den oppveier alt annet til sammen, forble mørk energi uten navn og ubemerket helt til de siste årene av det tjuende århundre.

Det endret seg i 1998, da to rivaliserende team som studerte eksploderende stjerner, fant at universets ekspansjon akselererer i stedet for å bremse ned. Resultatet var så uventet at det sendte fysikere tilbake til en idé Albert Einstein hadde introdusert, og deretter forkastet, flere tiår tidligere.

Denne artikkelen går gjennom hva disse observasjonene egentlig viste, hvordan universets eldste lys bekrefter dem, og hvorfor det fortsatt regnes som ett av de vanskeligste uløste problemene i fysikken å forklare mørk energi.

Fordelingen 68/27/5 er kosmologiens beste nåværende oversikt over alt som finnes, og den forbedres stadig i takt med bedre instrumenter. Data fra Den europeiske romfartsorganisasjonens (ESA) Planck-satellitt satte mørk materies andel til 26,8 %, nesten en femtedel høyere enn tidligere anslag hadde antydet — et tegn på at selv de «etablerte» tallene i kosmologien fortsatt er bevegelige mål.

Det som gjør mørk energi merkelig, er hvordan den dominerer det kosmiske budsjettet mens den nesten ikke eksisterer. Tettheten er om lag 7×10⁻³⁰ gram per kubikkcentimeter, som svarer til rundt 6×10⁻¹⁰ joule per kubikkmeter masse-energi — langt under det vanlig materie eller mørk materie når opp til når det er samlet inni en galakse. Den vinner regnestykket ikke ved å være konsentrert et bestemt sted, men rett og slett ved å være overalt på samme tid, slik at dens totale effekt vokser i takt med at universet selv vokser.

Lenge før noen målte en akselerasjon, hadde Einstein allerede bygget det matematiske verktøyet som til slutt skulle beskrive den. Han la til et ekstra ledd i gravitasjonsligningene sine, spesifikt for å tillate et statisk, uforanderlig univers, som var standardantagelsen i hans tid. Da senere observasjoner viste at kosmos i stedet ekspanderte, forkastet Einstein sin egen løsning og kalte den en tabbe.

Det forkastede leddet lå i stor grad glemt til kosmologen Michael S. Turner gjenopplivet konseptet under en ny betegnelse. I en artikkel skrevet sammen med Saul Perlmutter og Martin White i 1998, laget Turner begrepet «mørk energi» for den kraften som drev den nyoppdagede akselerasjonen — og rehabiliterte dermed i praksis den samme ideen Einstein hadde forkastet.

Gjennombruddet kom i 1998, da to rivaliserende grupper — Supernova Cosmology Project på den ene siden, High-Z Supernova Search Team på den andre — uavhengig av hverandre brukte fjerne type Ia-supernovaer for å spore hvordan hastigheten på den kosmiske ekspansjonen har endret seg over milliarder av år.

Disse bestemte supernovaene fungerer som pålitelige kosmiske målestokker på grunn av hvor konsekvent de detonerer. De oppstår når massen til en hvit dverg av karbon og oksygen nærmer seg omtrent 1,44 solmasser, grensen der stjernen ikke lenger kan holde seg selv oppe. Fordi denne grensen er nesten identisk fra stjerne til stjerne, når de resulterende eksplosjonene sammenlignbar toppstyrke, noe som gjorde at begge teamene kunne bruke dem til å måle avstand. Da disse avstandene ble sammenlignet med hvor mye lyset hadde rødforskjøvet seg, ga tallene bare mening hvis selve ekspansjonen akselererte.

Historien om mørk energi går også gjennom det eldste lyset astronomer kan observere. Den kosmiske bakgrunnsstrålingen ble oppdaget helt ved en tilfeldighet i 1965, da to forskere fra Bell Labs, Arno Penzias og Robert Wilson, jaktet på en kilde til radiointerferens og i stedet snublet over en svak glød som dekket hele himmelen.

Denne gløden er et øyeblikksbilde av kosmos fra om lag 375 000 år etter at det begynte, fra en tid da alt fremdeles var en het, tett suppe av partikler. Ettersom rommet har strukket seg siden da, har lyset selv strukket seg med det, og kjølt seg ned til mikrobølgebølgelengder som i dag svarer til bare 2,7 grader over det absolutte nullpunktet. I 1992 fant NASAs Cosmic Background Explorer-satellitt at denne gløden ikke er helt jevn — den bærer på svake temperaturvariasjoner over himmelen, og det å kartlegge disse variasjonene med stadig finere presisjon er hvordan kosmologer kom fram til dagens 68/27/5-oppskrift i utgangspunktet.

Å vite at mørk energi eksisterer er én ting; å forklare hva den egentlig er, er langt vanskeligere. En ledende idé behandler den som den egenartede energien i det tomme rommet, vakuumet slik det beskrives av kvantefeltteori. Problemet er at når fysikere forsøker å beregne hvor mye energi dette vakuumet burde ha, overskrider resultatet det som faktisk observeres med rundt 120 størrelsesordener — et gap så enormt at noen forskere rangerer det som fysikkens minst nøyaktige beregning gjennom tidene. Ingen justering av matematikken har tettet dette gapet, noe som er en viktig grunn til at mørk energi fortsatt betraktes som uavklart.

Hvis mørk energi ikke er reell, må noe annet forklare akselerasjonen — og det ledende alternativet er at Einsteins egen gravitasjonsteori bryter sammen når avstandene blir store nok, slik at rommet kan strekke seg raskere enn gravitasjonen kan holde det tilbake. Å utelukke dette tok flere tiår, og ble bare mulig da astronomer kunne måle gravitasjonsbølger direkte.

GW170817, den første gravitasjonsbølgen som også ble bekreftet gjennom ikke-gravitasjonelle observasjoner, gjorde det mulig for fysikere å måle gravitasjonens hastighet presist nok til å utelukke mange av de modifiserte gravitasjonsteoriene som var foreslått som alternativer til mørk energi.

Historien er ikke over. Samarbeidet bak Dark Energy Spectroscopic Instrument rapporterte i mars 2025 at styrken til mørk energi kanskje ikke er konstant likevel. Ved å kombinere instrumentets data om baryoniske akustiske oscillasjoner med målinger av den kosmiske bakgrunnsstrålingen, svake linse-undersøkelser og supernovakataloger, fant teamet bevis for en mørk energi som utvikler seg over tid, med en statistisk sikkerhet som lå et sted mellom 2,8 og 4,2 sigma, avhengig av hvilke datasett som ble kombinert.

Dette resultatet er interessant, men ikke avklart, noe som gjør at den sanne naturen til mørk energi fortsatt er et åpent spørsmål flere tiår etter at Turner først ga den et navn.

• NASA: Oversikt over WMAP
• ESA: Planck avslører et nesten perfekt univers
• Phys.org: Jakten på å løse gåten om Einsteins teori
• Scientific American: Kosmologiens slutt?
• Wikipedia: Mørk energi
• Wikipedia: Universets akselererende ekspansjon
• Wikipedia: Den kosmologiske konstanten
• Wikipedia: Type Ia-supernova