Mörk energi: kraften bakom 68 % av universum

Ungefär 68 % av allt som existerar är något som inget instrument någonsin har upptäckt direkt: mörk energi. Kosmologer uppskattar för närvarande mörk materias andel till 27 % och vanliga atomer — det material som stjärnor, planeter och människor består av — till bara 5 %. Trots att den väger tyngre än allt annat tillsammans förblev mörk energi namnlös och obemärkt fram till slutet av nittonhundratalet.

Det ändrades 1998, när två konkurrerande team som studerade exploderande stjärnor upptäckte att universums expansion accelererar i stället för att sakta ner. Resultatet var så oväntat att det fick fysiker att gå tillbaka till en idé som Albert Einstein hade introducerat, och sedan övergett, decennier tidigare.

Den här artikeln går igenom vad dessa observationer faktiskt visade, hur universums äldsta ljus bekräftar dem, och varför förklaringen till mörk energi fortfarande räknas som ett av de svåraste olösta problemen inom fysiken.

Fördelningen 68/27/5 är kosmologins nuvarande bästa uppskattning av allt som existerar, och den förfinas hela tiden i takt med att instrumenten förbättras. Data från Europeiska rymdorganisationens satellit Planck satte mörk materias andel till 26,8 %, nästan en femtedel högre än tidigare uppskattningar antytt — ett tecken på att även de "fastställda" siffrorna inom kosmologin fortfarande är rörliga mål.

Det som gör mörk energi märklig är hur den dominerar den kosmiska balansräkningen samtidigt som den knappt existerar. Dess densitet uppgår till ungefär 7×10⁻³⁰ gram per kubikcentimeter, vilket motsvarar ungefär 6×10⁻¹⁰ joule per kubikmeter massa-energi — långt under vad vanlig materia eller mörk materia når när den är hoppackad inuti en galax. Den vinner räkenskapen inte genom att vara koncentrerad någonstans, utan helt enkelt genom att finnas överallt samtidigt, så att dess totala effekt växer i takt med att universum självt växer.

Långt innan någon mätte en acceleration hade Einstein redan byggt det matematiska verktyg som skulle komma att beskriva den. Han lade till en extra term i sina gravitationsekvationer specifikt för att göra plats för ett statiskt, oföränderligt universum, vilket var det gängse antagandet på hans tid. När senare observationer visade att kosmos i stället expanderade, kastade Einstein bort sin egen lösning och kallade den en blunder.

Den övergivna termen förblev till stor del bortglömd tills kosmologen Michael S. Turner återupplivade begreppet under ett nytt namn. I en artikel som han skrev tillsammans med Saul Perlmutter och Martin White 1998 myntade Turner termen "mörk energi" för den kraft som drev den nyupptäckta accelerationen — och rehabiliterade i praktiken den idé som Einstein hade förkastat.

Genombrottet kom 1998, när två konkurrerande grupper — Supernova Cosmology Project på ena sidan, High-Z Supernova Search Team på den andra — oberoende av varandra använde avlägsna typ Ia-supernovor för att spåra hur takten i den kosmiska expansionen har förändrats under miljarder år.

Just dessa supernovor fungerar som pålitliga kosmiska mätstickor tack vare hur konsekvent de detonerar. De uppstår när massan hos en vit dvärg av kol och syre kryper upp mot ungefär 1,44 solmassor, gränsen bortom vilken stjärnan inte längre kan hålla sig samman. Eftersom den gränsen är nästan identisk från stjärna till stjärna når de resulterande explosionerna en jämförbar toppljusstyrka, vilket är det som lät båda teamen använda dem för att bedöma avstånd. När dessa avstånd jämfördes med hur mycket ljuset hade rödförskjutits gav siffrorna bara mening om expansionen själv accelererade.

Berättelsen om mörk energi går också genom det äldsta ljus astronomer kan observera. Den kosmiska bakgrundsstrålningen upptäcktes helt av en slump 1965, när två forskare vid Bell Labs, Arno Penzias och Robert Wilson, jagade en källa till radiostörningar och i stället stötte på en svag glöd som täckte hela himlen.

Den glöden är en ögonblicksbild av kosmos från ungefär 375 000 år efter att det uppstod, från en tid då allt fortfarande var en het, tät soppa av partiklar. Allteftersom rymden har töjts ut sedan dess har själva ljuset töjts ut med den, och kylts ner till mikrovågslängder som i dag motsvarar bara 2,7 grader över absoluta nollpunkten. År 1992 upptäckte NASA:s satellit Cosmic Background Explorer att denna glöd inte är perfekt jämn — den bär på mycket små temperaturvariationer över himlen, och det är genom att kartlägga dessa variationer med allt finare precision som kosmologer till slut kom fram till dagens 68/27/5-recept.

Att veta att mörk energi finns är en sak; att förklara vad den faktiskt är är betydligt svårare. En ledande idé betraktar den som den inneboende energin i tomma rymden, det vakuum som beskrivs av kvantfältteorin. Problemet är att när fysiker försöker beräkna hur mycket energi det vakuumet borde bära, överstiger resultatet det som faktiskt observeras med omkring 120 tiopotenser — ett gap så enormt att vissa forskare rankar det som fysikens minst exakta beräkning någonsin. Ingen justering av matematiken har lyckats sluta det gapet, vilket är en stor del av varför mörk energi fortfarande betraktas som en olöst fråga.

Om mörk energi inte är verklig måste något annat förklara accelerationen — och det ledande alternativet är att Einsteins egen gravitationsteori slutar fungera när avstånden blir tillräckligt stora, vilket gör att rymden kan töjas snabbare än gravitationen kan hålla tillbaka den. Att utesluta det tog decennier och blev bara möjligt när astronomer kunde mäta gravitationsvågor direkt.

GW170817, den första gravitationsvågen som även bekräftades genom icke-gravitationella observationer, gjorde det möjligt för fysiker att mäta gravitationens hastighet tillräckligt exakt för att utesluta många av de teorier om modifierad gravitation som föreslagits som alternativ till mörk energi.

Berättelsen är inte färdig. Samarbetet kring Dark Energy Spectroscopic Instrument rapporterade i mars 2025 att mörk energis styrka kanske inte är konstant trots allt. Genom att kombinera instrumentets data om baryonska akustiska oscillationer med mätningar av den kosmiska bakgrundsstrålningen, kartläggningar av svag gravitationslinsning och supernovakataloger fann teamet belägg för en mörk energi som förändras över tid, med en statistisk säkerhet som låg någonstans mellan 2,8 och 4,2 sigma, beroende på vilka dataset som kombinerades.

Det resultatet är intressant men ännu inte avgjort, vilket gör att mörk energis sanna natur förblir en öppen fråga decennier efter att Turner först gav den ett namn.

• NASA: Översikt av WMAP
• ESA: Planck avslöjar ett nästan perfekt universum
• Phys.org: Sökandet efter att lösa gåtan kring Einsteins teori
• Scientific American: Kosmologins slut?
• Wikipedia: Mörk energi
• Wikipedia: Universums accelererande expansion
• Wikipedia: Kosmologiska konstanten
• Wikipedia: Typ Ia-supernova