Ciemna energia: siła stojąca za 68% wszechświata

Około 68% wszystkiego, co istnieje, to coś, czego żaden instrument nigdy nie wykrył bezpośrednio: ciemna energia. Kosmolodzy obecnie szacują udział ciemnej materii na 27%, a zwyczajnych atomów — materii, z której zbudowane są gwiazdy, planety i ludzie — na jedynie 5%. Mimo że ciemna energia przeważa nad wszystkim innym razem wziętym, pozostawała nienazwana i niezauważona aż do końcowych lat XX wieku.

To się zmieniło w 1998 roku, gdy dwa rywalizujące zespoły badające eksplodujące gwiazdy odkryły, że ekspansja wszechświata przyspiesza, a nie zwalnia. Wynik był tak nieoczekiwany, że skierował fizyków z powrotem do idei, którą Albert Einstein wprowadził, a następnie odrzucił, dziesiątki lat wcześniej.

Ten artykuł przedstawia, co dokładnie pokazały te obserwacje, jak potwierdza je najstarsze światło wszechświata, oraz dlaczego wyjaśnienie ciemnej energii wciąż uważane jest za jeden z najtrudniejszych nierozwiązanych problemów fizyki.

Podział 68/27/5 to obecnie najlepsze zestawienie kosmologii dotyczące wszystkiego, co istnieje, i jest ono nieustannie doprecyzowywane wraz z rozwojem instrumentów. Dane z satelity Planck Europejskiej Agencji Kosmicznej wskazały udział ciemnej materii na poziomie 26,8%, czyli prawie jedną piątą wyżej, niż sugerowały wcześniejsze szacunki — co jest sygnałem, że nawet „ustalone" liczby w kosmologii wciąż są ruchomym celem.

To, co czyni ciemną energię tak niezwykłą, to sposób, w jaki dominuje w kosmicznym budżecie, choć sama praktycznie nie istnieje. Jej gęstość wynosi około 7×10⁻³⁰ grama na centymetr sześcienny, co odpowiada w przybliżeniu 6×10⁻¹⁰ dżula na metr sześcienny masy-energii — znacznie mniej, niż osiąga zwykła materia lub ciemna materia skupiona wewnątrz galaktyki. Wygrywa to rozliczenie nie przez skoncentrowanie się gdzieś, ale po prostu przez to, że jest wszędzie naraz, dzięki czemu jej łączny efekt rośnie wraz z rozwojem samego wszechświata.

Na długo przed tym, jak ktokolwiek zmierzył przyspieszenie, Einstein już zbudował matematyczne narzędzie, które ostatecznie miało je opisać. Dodał dodatkowy człon do swoich równań grawitacji specjalnie, aby dopuścić statyczny, niezmienny wszechświat, co było standardowym założeniem jego epoki. Gdy późniejsze obserwacje pokazały, że kosmos się rozszerza, Einstein odrzucił własną poprawkę, nazywając ją błędem.

Ten odrzucony człon pozostawał w większości zapomniany, aż kosmolog Michael S. Turner przywrócił tę koncepcję pod nową nazwą. W artykule napisanym wspólnie z Saulem Perlmutterem i Martinem White'em w 1998 roku Turner ukuł termin „ciemna energia" na oznaczenie siły napędzającej nowo odkryte przyspieszenie — skutecznie rehabilitując ten sam pomysł, który Einstein odrzucił.

Przełom nastąpił w 1998 roku, gdy dwie rywalizujące grupy — Supernova Cosmology Project z jednej strony i High-Z Supernova Search Team z drugiej — niezależnie od siebie wykorzystały odległe supernowe typu Ia, aby śledzić, jak tempo kosmicznej ekspansji zmieniało się na przestrzeni miliardów lat.

Te konkretne supernowe stanowią wiarygodne kosmiczne wzorce dzięki temu, jak konsekwentnie wybuchają. Powstają, gdy masa węglowo-tlenowego białego karła zbliża się do około 1,44 masy Słońca — granicy, po przekroczeniu której gwiazda nie jest już w stanie utrzymać własnej struktury. Ponieważ ta granica jest prawie identyczna dla każdej gwiazdy, powstałe wybuchy osiągają porównywalną maksymalną jasność, co pozwoliło obu zespołom wykorzystać je do szacowania odległości. Gdy te odległości porównano z tym, jak bardzo światło uległo przesunięciu ku czerwieni, liczby miały sens tylko wtedy, gdy sama ekspansja przyspieszała.

Historia ciemnej energii wiąże się także z najstarszym światłem, jakie astronomowie mogą obserwować. Mikrofalowe promieniowanie tła odkryto całkowicie przez przypadek w 1965 roku, gdy dwaj badacze z Bell Labs, Arno Penzias i Robert Wilson, próbując znaleźć źródło zakłóceń radiowych, natrafili zamiast tego na słaby blask pokrywający całe niebo.

Ten blask jest zdjęciem kosmosu z okresu około 375 000 lat po jego powstaniu, gdy wszystko było jeszcze gorącą, gęstą zupą cząstek. Odkąd przestrzeń się rozciąga, wraz z nią rozciąga się i samo światło, ochładzając się do długości mikrofalowych odpowiadających dziś zaledwie 2,7 stopnia powyżej zera absolutnego. W 1992 roku satelita NASA Cosmic Background Explorer odkrył, że ten blask nie jest idealnie jednorodny — niesie ze sobą niewielkie różnice temperatury na całym niebie, a mapowanie tych różnic z coraz większą precyzją doprowadziło kosmologów do dzisiejszej receptury 68/27/5.

Wiedza, że ciemna energia istnieje, to jedno; wyjaśnienie, czym ona właściwie jest, jest znacznie trudniejsze. Jedna z głównych hipotez traktuje ją jako wewnętrzną energię pustej przestrzeni, próżni opisywanej przez kwantową teorię pola. Problem polega na tym, że gdy fizycy próbują obliczyć, jaką energię powinna nosić ta próżnia, wynik przewyższa to, co faktycznie obserwuje się, o około 120 rzędów wielkości — rozbieżność tak ogromna, że niektórzy badacze uznają ją za najmniej dokładne obliczenie w historii fizyki. Żadna korekta matematyczna nie zamknęła tej rozbieżności, co w dużej mierze wyjaśnia, czemu ciemna energia wciąż traktowana jest jako nierozwiązana kwestia.

Jeśli ciemna energia nie istnieje, coś innego musi wyjaśniać przyspieszenie — a główną alternatywą jest to, że własna teoria grawitacji Einsteina zawodzi przy dostatecznie dużych odległościach, pozwalając przestrzeni rozciągać się szybciej, niż grawitacja może to powstrzymać. Wykluczenie tej możliwości zajęło dziesięciolecia i stało się możliwe tylko wtedy, gdy astronomowie mogli bezpośrednio mierzyć fale grawitacyjne.

GW170817, pierwsza fala grawitacyjna potwierdzona również za pomocą obserwacji niegrawitacyjnych, pozwoliła fizykom zmierzyć prędkość grawitacji z precyzją wystarczającą do wykluczenia wielu teorii zmodyfikowanej grawitacji, proponowanych jako alternatywy dla ciemnej energii.

Ta historia nie jest zakończona. Kolaboracja Dark Energy Spectroscopic Instrument, w raporcie z marca 2025 roku, odkryła, że siła ciemnej energii może wcale nie być stała. Łącząc dane instrumentu dotyczące barionowych oscylacji akustycznych z pomiarami mikrofalowego promieniowania tła, badaniami słabego soczewkowania i katalogami supernowych, zespół znalazł dowody na ciemną energię zmieniającą się w czasie, z pewnością statystyczną wahającą się od 2,8 do 4,2 sigma, w zależności od tego, jakie zbiory danych zostały połączone.

Ten wynik jest intrygujący, ale wciąż nie jest ostateczny, co sprawia, że prawdziwa natura ciemnej energii pozostaje otwartym pytaniem dziesiątki lat po tym, jak Turner po raz pierwszy nadał jej nazwę.

• NASA: Przegląd WMAP
• ESA: Planck odkrywa niemal idealny wszechświat
• Phys.org: Poszukiwanie rozwiązania zagadki dotyczącej teorii Einsteina
• Scientific American: Koniec kosmologii?
• Wikipedia: Ciemna energia
• Wikipedia: Przyspieszona ekspansja wszechświata
• Wikipedia: Stała kosmologiczna
• Wikipedia: Supernowa typu Ia