Astronomowie otrzymują zaskakujący wynik: gęstość Wszechświata widocznego stanowi zaledwie kilka procent gęstości krytycznej, czyli koniecznej do tego aby Wszechświat mógł się kurczyć. Wynika stąd, że Wszechświat powinien się coraz szybciej rozszerzać.

Zasada mikrosoczewkowania grawitacyjnego

Jest kilka przyczyn, dla których wynik ten przyjęto z niedowierzaniem. Już od pewnego czasu wiadomo było, że oceny mas galaktyk z prostego dodawania mas obserwowanych gwiazd nie są wiarygodne. Pomiar szybkości obrotu galaktyk sugerował, że oprócz obserwowanych gwiazd jest w nich jakaś inna materia, która wpływa na ruch. Nazwano ją ciemną materią dla odróżnienia od świecących gwiazd. Próby ustalenia, czym jest ciemna materia i jaki jest jej udział w masie Wszechświata, doprowadziły do wielu odkryć, ale do dziś nie daty ostatecznych wyników.
Ciemną materię poszukuje się w dwóch kierunkach. Pierwsza koncepcja to, że jest to zwykła materia barionowa (złożona z barionów: protonów i neutronów), uwięziona w ciałach, w których albo procesy termojądrowe nigdy się nie rozpoczęły (grupa I), albo już wygasły (grupa II) - takie obiekty nazywamy MACHO. Druga możliwość to nieznane cząstki elementarne zwane WIMP-ami.

Komputerowa rekonstrukcja przekroju gęstości powierzchniowej ciemnej materii uzyskanej metodą mikrosoczewkowania grawitacyjnego w gromadzie CL0024+1654. Rekonstrukcja wykazała, że ciemna materia znajdująca się w gromadzie przewyższa swą masę wszystkich gwiazd w niej zawartych aż 250 razy.

Do pierwszej grupy ciał materialnych zalicza się:

brązowe karły - obiekty protogwiazdowe, których masa nie przekroczyła 8% masy Słońca czego efektem było zbyt słabe rozgrzanie ciała i w których nigdy nie doszło do rozpalenia reakcji termojądrowych;

komety;

planetoidy;

pył międzygwiazdowy i międzygalaktyczny
Zwykły pył kosmiczny odpada, ponieważ przy dużych jego ilościach pochłaniałby światło z odległych gwiazd i galaktyk w znacznie większym stopniu, niż to obserwujemy. Planetoidy i komety małą masę i nie mogą brać dużego udziału w bilansie materii, natomiast brązowe karły byłyby dobrym kandydatem, jednak oprócz kilku ciał odkrytych w ostatnich latach nie ma szacunków o rzeczywistej ich ilości w Kosmosie.
W drugiej grupie wymieniane są ciała będące końcowymi etapami ewolucji gwiazd:

gwiazdy neutronowe

czarne dziury

białe karły i czarne karły

Krzywa obrazująca pojaśnienie gwiazdy BW7 I 117281 dzięki zjawisku soczewkowania grawitacyjnego.

Są to ciała bardzo masywne, określane mianem MACHO (od ang. Massive Compact Halo Objects), czyli masywne zwarte obiekty z halo wykrywane w obserwacjach na podstawie ich oddziaływania z czasoprzestrzenią (mikrosoczewkowanie grawitacyjne). Jest to gra słów, bowiem macho oznacza silnego faceta. Jednak założenie dużego udziału tych ciał w budowie Wszechświata implikowałoby zmianę poglądów na szybkość starzenia się gwiazd i co za tym idzie na wiek Wszechświata.
Polski astrofizyk Bohdan Paczyński zaproponował metodę, dzięki której można rejestrować takie obiekty: wykorzystanie tzw. mikrosoczewkowania grawitacyjnego. W efekcie tym, przewidzianym już przez Einsteina, światło odległej gwiazdy lub galaktyki odchyla się w polu grawitacyjnym ciemnego obiektu. Jeśli więc obiekt znajdzie się między nami i źródłem światła, zamiast zasłonięcia stwierdzimy rozjaśnienie, podobnie jak po przejściu przez soczewkę światło trafi do nas ze znacznie szerszego stożka, niż przy bezpośredniej obserwacji. Metoda Paczyńskiego doprowadziła istotnie do wykrycia wielu ciemnych obiektów w naszej Galaktyce. Jest ich jednak za mało nawet do wytłumaczenia zaburzeń obrotu. Musza więc istnieć jeszcze inne rodzaje ciemnej materii. Metodę mikrosoczewkowani polscy astronomowie stosują do znajdowania planet pozasłonecznych.

Słabo oddziaływujące masywne cząstki WIMP-y

Jeśli nie MACHO, to może słabo oddziałujące masywne cząstki w skrócie WIMP-y (od ang. Weakly Interacting Massive Particles) są składnikami ciemnej materii. Jest to znów gra słów, bowiem po angielsku wimp znaczy mięczak lub słabeusz. Są to nieznane jeszcze cząstki elementarne nie wchodzące w skład normalnych atomów. Każda galaktyka zanurzona byłaby w wielkim obłoku takich cząstek. Być może też WIMP-y zbudowały obok nas cały alternatywny Świat z własnymi planetami i gwiazdami? Niewiele o nich wiadomo, poza tym, że jak wskazuje ich nawa, słabo oddziaływają ze znaną materią. To zresztą jest oczywiste, bo gdyby silnie oddziaływały, to już dawno by je odkryto.
Niedawno wydawało się, że to neutrina są właśnie poszukiwaną ciemną materią. Są to bardzo słabo oddziaływujące cząstki i w każdej sekundzie każdy centymetr kwadratowy naszego ciała przeszywają bez śladu ich miliony, co więcej przechodzą bez przeszkód całą kulę ziemską. Ale w ostatnich latach zmierzono ich masę i okazało się, że ważą setki tysięcy razy mniej niż elektrony (najlżejsze ze znanych cząstek) oraz są zbyt szybkie. Stwierdzono, że ciemna materia ma tendencję do skupiania się jak materia zwykła. Tymczasem neutrina są zbyt "gorące", czyli przemierzają przestrzeń kosmiczną z prędkością podświetlną i w żaden sposób nie można ich zmusić do zgromadzenia się razem w jednym miejscu. Skupiska mogą tworzyć jedynie cząstki powolne i ciężkie, czyli "zimne".
Większe nadzieje można wiązać z dwoma typami cząstek postulowanych przez teorię supersymetrii lub superstrun, których dotąd nie odkryto: tzw. partnerami supersymetrycznymi znanych cząstek oraz tzw. cząstkami zwierciadlanego świata. Te ostatnie miałyby oddziaływać ze zwykłą materią tylko grawitacyjnie, byłyby więc naprawdę doskonale ciemną materią.

---

Ciemna energia

Składniki Wszechświata według ostatnich badań

Gdy wyznaczono ilości poszczególnych form materii występujących w galaktykach i gromadach galaktyk za pomocą różnych technik obserwacyjnych w zakresie optycznym, radiowym i rentgenowskim, to stwierdzono, że łączna gęstość pierwiastków chemicznych i ciemnej materii stanowi zaledwie około jednej czwartej wartości postulowanej przez większość teoretyków (tzw. gęstości krytycznej). Wielu kosmologów potraktowało to jako oznakę, że wbrew przewidywaniom teoretyków, żyjemy w rozszerzającym się w nieskończoność Wszechświecie o krzywiźnie hiperbolicznej niczym wylot trąbki. Interpretacji tej przeczyły jednak pomiary rozkładu gorących i zimnych obszarów mikrofalowego promieniowania tła, wykazujące, że przestrzeń jest płaska i całkowita gęstość energii równa gęstości krytycznej. Jeśli uwzględnimy obie te obserwacje, z prostego rachunku wynika konieczność wprowadzenia dodatkowej energii, której wkład wyrównałby brakujące trzy czwarte całkowitej gęstości energii. Potwierdziły to ostatnie wyniki uzyskane z sondy WMAP.

Obserwowany w kwietniu 2001 roku przez kosmiczny teleskop Hubble'a wybuch supernowej odległej o 10 mld lat świetlnych. To obserwacja dalekich obiektów dowodzi, że rozszerzanie Wszechświata ulega przyspieszeniu.

Składowa ta nie może pochłaniać ani emitować światła, gdyż w przeciwnym wypadku zostałaby już dawno wykryta. Pod tym względem ten nowy rodzaj energii, zwany ciemną energią, przypomina ciemną materię. Różni się jednak od niej jednak istotnie. Jego oddziaływanie grawitacyjne musi mieć charakter odpychający, gdyż inaczej, wciągnięty w obręb galaktyk i gromad galaktyk, wpływałby dynamicznie na widoczną materię. Żadnego takiego wpływu jednak nie zaobserwowaliśmy. Ponadto grawitacja odpychająca rozwiązuje problem przyspieszonej ucieczki galaktyk. Wszystkie obecne pomiary stwierdzają, że z niewiadomego powodu Wszechświat się rozszerza coraz szybciej. Z pomiarów obecnego tempa ekspansji, przy założeniu, że ulega ona spowolnieniu, wynikałoby, że wiek Wszechświata wynosi mniej niż 13,7 mld lat. Tymczasem obserwacje świadczą o tym, że niektóre gwiazdy w naszej galaktyce liczą 14 mld lat. Przyspieszające tempo ekspansji Wszechświata, pozwala pogodzić obliczony wiek Wszechświata z obserwowanym wiekiem ciał niebieskich.
W 1998 roku dwie niezależne grupy badaczy wykorzystując pomiary odległych supernowych, wykryły, że tempo ekspansji Wszechświata ulega przyśpieszeniu i to dokładnie tak, jak przewidywano. Nowe badania przeprowadzone w 2003 roku promieniowania dochodzącego z obszarów na niebie, gdzie jest większe zagęszczenie galaktyk dowodzą, że dobiega nas promieniowanie bardziej energetyczne (o częstotliwości przesuniętej w kierunku niebieskiego widma), co interpretowane jest jako przejaw działania ciemnej energii.
Jakie jest pochodzenie i natura tej tajemniczej energii na razie nie wiemy. Dziś rozważa się dwie hipotezy. W jednej rozważana jest energia próżni, w innej nieznane pole sił (pole kwantowe zwane kwintesencją).
Zagadkowe przyspieszenie rozszerzania się Wszechświata próbuje się również wytłumaczyć innym prawem grawitacji, bez potrzeby wprowadzania pojęcia "ciemna energia". Czy istnieje ciemna energia i jaka jest jej natura możemy się dowiedzieć obserwując wybuchy bardzo dalekich supernowych. Należy więc niecierpliwie czekać na nowe wyniki obserwacji.

---

Obiekty