Mørk energi: Hvad er det? Definition og forklaring af universets acceleration

Mørk energi forklaret: Få en klar definition og forstå, hvorfor universets ekspansion accelererer — teorier, observationer og betydning for moderne kosmologi.

Mørk energi er navnet på den ukendte årsag til, at universet udvider sig hurtigere og hurtigere. Fjerntliggende galakser ser ud til at bevæge sig væk fra os med en hastighed, som stiger med tiden: tanken er, at universet har udvidet sig siden Big Bang, men målingerne er nu præcise nok til, at astronomerne kan se, at denne udvidelse ikke bare fortsætter — den accelererer. Det tyder på, at der i rummet findes en form for energi eller en effekt, som virker frastødende i forhold til tyngdekraften, og denne hypotetiske årsag er blevet kaldt mørk energi.

Denne acceleration forstås ikke fuldstændigt. Der er flere teorier, men ingen endegyldig forklaring. For kosmologer er det et af de største åbne spørgsmål i moderne fysik: Hvorfor accelererer universets udvidelse, og hvad er naturen af den komponent, som forårsager det? I dag findes både simple og komplekse modeller, men ingen er endnu bekræftet af observationer. Det er som om det tomme rum selv har egenskaber — for eksempel en energi, som udøver en frastødende kraft (anti-tyngdekraft).

Hvad viser observationerne?

• Type Ia-supernovaer: De første klare beviser kom i slutningen af 1990'erne ved observationer af fjerne eksploderende stjerner (Type Ia), som viste, at universet udvider sig hurtigere nu end tidligere forventet.
• Kosmisk mikrobølgebaggrund (CMB): Præcise målinger af de små temperaturvariationer i den kosmiske baggrundsstråling (fra satellitter som WMAP og Planck) giver en samlet kosmologisk model, hvor en stor del af universets energi i dag må være mørk energi for at passe med observationerne.
• Baryon-akustiske oscillationer (BAO): Mønstre i fordelingen af galakser fungerer som en standardlængde — sammenligning af den målte skala på forskellige tidspunkter i universets historie støtter også accelerationstolkningen.
• Vækst af struktur: Hvordan galakser og klynger vokser over tid afhænger af både mørk energi og tyngdekraft; målinger af strukturens vækst hjælper med at skelne mellem teorier.

Hvad kan mørk energi være?

• Kosmologisk konstant (Λ): Den simpleste model er, at mørk energi er en konstant energi i tomt rum — Einsteins cosmological constant Λ. Den har et konstant energitæthed og giver en tryklignende effekt, som medfører acceleration.
• Dynamisk mørk energi (kvintessens): Alternativt kan mørk energi være en ny felt eller partikel, hvis energitæthed ændrer sig over tid (fx kvintessens). Det åbner for, at effekten kan variere med universets alder.
• Modificeret tyngdelov: En anden mulighed er, at vores teori for tyngdekraft (Generel Relativitet) skal ændres på store skalaer, så den ser ud som om der er en frastødende komponent, selvom der ikke er nogen ny energi i tomrummet.

Vigtige egenskaber

Forskere beskriver ofte mørk energi med en parameter kaldet ligningsforholdsparameteren w = tryk / energitæthed. For en kosmologisk konstant er w = −1. Observationer indikerer, at w ligger meget tæt på −1, men usikkerhederne tillader stadig mindre afvigelser, som ville pege i retning af dynamiske modeller. Mørk energi virker også stort set ens overalt (homogen) og påvirker universets dynamik primært på meget store skalaer.

Hvor meget udgør mørk energi?

Ifølge de bedste aktuelle observationer udgør mørk energi omkring 70 % af den samlede energibalance i universet i dag. Resten består primært af mørkt stof (ca. 25 %) og almindelig baryonisk stof (ca. 5 %).

Konsekvenser for universets fremtid

Den lange tids skæbne for universet afhænger af mørk energis natur:

• Hvis mørk energi er en sand kosmologisk konstant, vil udvidelsen fortsætte og føre til stadig kolde, fortyndede forhold — ofte kaldet "varmedød".
• Hvis w < −1 (såkaldt phantom-energi), kan udvidelsen accelerere så voldsomt, at strukturer revner — et teoretisk scenarie kaldet "Big Rip".
• Hvis mørk energi aftager over tid, kan udvidelsen i fremtiden tiltage langsommere eller endda vende, afhængigt af modellens detaljer.

Hvorfor er det så svært at forklare?

Der er flere teoretiske problemer, fx det såkaldte finjusteringsproblem: kvantefeltteori forudsiger en vakuumenergi, som er op til ~120 størrelsesordener større end den observerede værdi — en enorm uoverensstemmelse. Der er også "tilfældighedsproblemet" (coincidence problem): hvorfor er mørk energi netop dominerende lige nu i kosmisk tidsskala?

Hvordan undersøger forskere mørk energi?

Der findes mange samtidige observations- og teoretiske projekter, fx:

• Supernova-undersøgelser og store galakseundersøgelser, som kortlægger BAO.
• Satellitter og observatorier som Planck (CMB) samt igangværende og kommende projekter som DES (Dark Energy Survey), Euclid og Rubin Observatory (LSST), som forbedrer målene på w og væksthastigheden for struktur.
• Teoretiske studier inden for kvantefeltteori, strenge- og tyngdekraftsteori for at søge forklaringer på vakuumenergiproblemet eller mulige modifikationer af relativitetsteorien.

Sammenfattende: mørk energi er en praktisk betegnelse for den årsag, vi observerer bag universets accelererende udvidelse. Den præcise natur er ukendt, men det er et område med intensiv forskning, som kombinerer præcise observationer og udvikling af nye teorier. I en forskningsartikel fra 2011 beskrives problemstillingerne i teoretisk fysik, og arbejdet er fortsat i fuld gang i dag.

Spørgsmål og svar

Spørgsmål: Hvad er mørk energi?

Spørgsmål: Hvorfor ser fjerne galakser ud til at bevæge sig væk fra os med høj hastighed?

Spørgsmål: Hvordan kan astronomerne se, at fjerne galakser accelererer væk fra os?

Spørgsmål: Udvider universet sig med en konstant hastighed?

Spørgsmål: Hvad er årsagen til universets stigende ekspansion?

Spørgsmål: Hvad tyder teorien om mørk energi på om universets fremtid?

Spørgsmål: Hvilken betydning har målingerne af mørk energi for vores forståelse af universet?

Søg efter bogstav