Pimeä energia

Kun laajenemisnopeuden kehitys tunnetaan, voidaan yleisen suhteellisuusteorian yhtälöistä ratkaista, millainen maailmankaikkeuden massa- ja energiasisältö tuottaa havaitun laajenemiskehityksen. Tiedämme, että energia voi esiintyä fotoneina, tai se voi olla sitoutuneena massaan. Kuitenkin suurin osa, n. 70 %, maailmankaikkeuden energiasisällöstä liittyy koko avaruuden täyttävään tuntemattomaan energiamuotoon, pimeään energiaan. Einstein käytti kosmologista vakiota pitääkseen maailmankaikkeuden muuttumattomana. Nykyään kosmologista vakiota käytetään kuvaamaan maailmankaikkeuden tyhjiön energiasisältöä.

Pimeän energian määrä on suoraan verrannollinen maailmankaikkeuden kokoon. Koska muita energialajeja ei synny lisää, pimeän energian osuus kasvaa maailmankaikkeuden laajentuessa. Pimeä energia vaikuttaa yleisen suhteellisuusteorian yhtälöissä maailmankaikkeutta laajentavasti, joten sen osuuden kasvu kiihdyttää laajenemista entisestään. Nykyhavaintojen perusteella maailmankaikkeus on siten ikuisesti kiihtyvän laajenemisen tiellä. Kosmisen taustasäteilyn kautta on mahdollista mitata maailmankaikkeuden kaarevuus. Nykyhavaintojen perusteella se on mittaustarkkuuden rajoissa tasainen.

Maailmankaikkeuden äärellisyys tai äärettömyys ei ole ratkaistavissa laajenemishavaintojen perusteella. Jos maailmankaikkeus olisi äärellinen, suoraan kulkevan valon pitäisi ennen pitkää saapua lähtöpisteeseensä (tai vaihtoehtoisesti maailmankaikkeudella olisi reuna, johon se loppuisi – tätä pidetään yleisesti epärealistisena vaihtoehtona). Hyvin pienessä maailmankaikkeudessa näkisimme siten oman selkämme katsoessamme eteenpäin. Mitään tällaista ilmiötä ei ole havaittu suuressakaan mittakaavassa.

Äärellisyyskeskustelussa on syytä erottaa kysymys maailmankaikkeuden ja havaittavissa olevan maailmankaikkeuden äärellisyydestä. Havaittavissa olevalla maailmankaikkeudella tarkoitetaan sen alueen kokoa, josta sähkömagneettinen säteily on ehtinyt saapua maapallolle maailmankaikkeuden olemassaolon aikana. Tämä alue on luonnollisesti äärellinen, koska maailmankaikkeuden ikä on äärellinen.

NYKYKÄSITYS MAAILMANKAIKKEUDESTA

Koko	äärellinen	93 miljardia ly (havaittava maailmankaikkeus)	ääretön
Kaarevuus	positiivinen (pallomainen)	nolla (tasainen)	negatiivinen (satulapinnan tyyppinen)
Kehittyminen	kutistuva	muuttumaton	laajeneva

Toistaiseksi ei tiedetä varmasti, mikä on maailmankaikkeuden kohtalo. Nykykäsityksen mukaan havaittavan maailmankaikkeuden koko on 93 miljardia valovuotta. Maailmankaikkeus laajenee ikuisesti, ja sitä voidaan pitää mittaustarkkuuden rajoissa tasaisena.

Pimeä aine

Galakseista tuleva valo on peräisin tähdistä. Tähtien lisäksi galakseissa on planeettoja, asteroideja, komeettoja, kaasua, pölyä, neutronitähtiä, mustia aukkoja sekä tähtien ja planeettojen välimaastossa olevia ruskeita kääpiöitä. Nämä tunnetut kohteet tuottavat itse sähkömagneettista säteilyä, heijastavat säteilyä tai absorboivat sitä. Galaksin kirkkauden perusteella voidaan määrittää, kuinka suuri massa galaksissa on ainetta.

Kappaleet liikkuvat galaksissa gravitaation alaisena. Ne kiertävät galaksin keskustaa samalla tavalla kuin planeetat kiertävät tähtiä. Gravitaation alaisina kappaleiden ratanopeuteen vaikuttaa, miten massa on jakaantunut galaksissa, koska gravitaatiovoiman suuruus riippuu kiertoradan ympärillä olevasta massasta. Jos verrataan galaksin kirkkauden perusteella määritettyä massan jakaumaa tähtien liikkeen perusteella saatuun massajakaumaan, ne eivät vastaa toisiaan galaksin keskusalueen ulkopuolella. Galakseissa tulee olla gravitaatiovuorovaikutusta voimistavaa ainetta. Koska aineen olemusta ei tunneta, sitä kutsutaan pimeäksi aineeksi.

Galaksissa kappaleiden liike ei hidastu, kun ne sijaitsevat kauempana galaksin keskustasta. Yleisen gravitaatiolain mukaisen ennusteen perusteella nopeuden pitäisi hidastua.

Pimeä aineen olemassaolo havaittiin jo 1930-luvulla. Pimeästä aineesta on karttunut todisteita eri ilmiöiden kautta, kuten galaksijoukkojen komponenttien liikkeestä, aineen liikkeestä galaksissa tai gravitaatiolinssi-ilmiöstä. Pimeän aineen määrä saadaan nykyään ennustettua parhaiten maailmankaikkeuden energiasisällöstä. Kuten aiemmin mainittiin, havaintojen perusteella 70 % on pimeää energiaa, 30 % massaan sitoutunutta energiaa. Näkyvää ainetta ei kuitenkaan näy näin paljon, joten osa massasta on pimeää ainetta. Havaintojen perusteella pimeää ainetta on n. viisinkertainen määrä tuntemaamme aineeseen verrattuna. Toistaiseksi tiedetään, että pimeä aine on sellaista, joka ei vuorovaikuta tai vuorovaikuttaa hyvin heikosti sähkömagneettisen säteilyn kanssa. Se voi koostua uudentyyppisistä hiukkasista, joita etsitään hiukkaskiihdyttimillä, tai se voi olla jo tuntemaamme ainetta, josta emme ole saaneet havaintoja.