הקוסמולוגיה נמצאת במצב יוצא דופן. למודל המפץ הגדול יש ראיות מוצקות, והפרמטרים הקוסמולוגיים – הגיל, הצורה, הגודל וקצב ההתפשטות של היקום – נמדדים בדיוק הולך וגדל. ובכל זאת, שניים משלושת המרכיבים העיקריים של היקום עדיין מובנים רק מעט. מהתצפיות של לווייני המיקרוגל אנחנו יודעים שהיקום מורכב מכ-5% חומר רגיל, 27% חומר אפל ו-68% אנרגיה אפלה. המרכיבים האלה קובעים את קצב ההתפשטות ואת גורל היקום. החומר האפל הוא כמו "בלם": הוא פועל להאטת ההתפשטות ההתחלתית, והוא קבע את קצב ההתפשטות בשמונה מיליארד השנים הראשונות בערך. האנרגיה האפלה היא כמו "דוושת גז": היא פועלת להאצת ההתפשטות. ככל שהחומר האפל התדלל, האנרגיה האפלה השתלטה על קצב ההתפשטות, ובכ-5 מיליארד השנים האחרונות ההתפשטות מואצת. כך יימשך גם בעתיד.
החומר האפל חידתי, אבל קשה מאוד להימנע מהמסקנה שהוא קיים, ושמסתו גדולה ממסת החלקיקים הרגילים – הפרוטונים והנייטרונים. חומר בלתי נראה שמפעיל כבידה התגלה בשביל החלב, בכל גלקסיה שנבדקה בקפידה, במאות צבירי גלקסיות, ואפילו בחללים הריקים שבין הגלקסיות. כמעט כל סוגי העצמים האפלים – מחורים שחורים ועד גרגרי אבק מיקרוסקופיים – נפסלו כהסבר עיקרי (חורים שחורים קדמוניים עדיין נבדקים), ונשארו רק חלקיקים תת-אטומיים כהסבר (בהנחה שאיננו רוצים לוותר על תורת הכבידה המוצלחת שלנו). המועמד המועדף הוא חלקיק מסיבי בעל אינטראקציה חלשה (weakly interacting massive particle, WIMP), שעדיין לא נראה בשום מעבדה או מאיץ חלקיקים. יש שני סוגים של חלקיקים כאלה: חלקיקים שנעו במהירות קרובה למהירות האור כשהגלקסיות התחילו להיווצר (חומר אפל חם), וחלקיקים שנעו לאט יותר באותו זמן (חומר אפל קר). המועמד הטוב ביותר לחומר אפל חם הוא הנייטרינו, אבל ייתכן שמסתו אינה מספיקה כדי להסביר את החומר האפל, ונייטרינים עלולים ליצור מבנה גדול של היקום שאינו מתאים לסקרי הגלקסיות. המועמד הטוב ביותר לחומר אפל קר הוא חלקיק היפותטי שנקרא נייטרלינו. הוא נחזה בתיאוריות שמנסות לאחד את כוחות היסוד בעזרת על-סימטריה (supersymmetry), שמובילות לקבוצה של "חלקיקי צל", והנייטרלינו הוא הקל ביותר מהם – ולכן יציב.
הפיזיקאים עובדים במלוא המרץ ביותר מתריסר ניסויים ברחבי העולם כדי לגלות חלקיקי WIMP. אם הם קיימים, בכל שנייה עוברים דרך כל סנטימטר רבוע של פני כדור הארץ (ושל גופנו!) עשרות אלפים מהם. אבל לפי ההגדרה, האינטראקציה שלהם עם חומר רגיל חלשה מאוד, ולכן אלה ניסויים קשים. דרך נוספת לגלות חלקיקי WIMP היא התנגשויות במאיצים כמו מאיץ ההדרונים הגדול. בעבר קיוו הפיזיקאים להצליח בתוך שנים ספורות, אבל אחרי יותר מעשר שנים של איסוף נתונים, ניסויי הגילוי הישיר (LUX, XENON, PandaX, LZ) לא מצאו דבר, וגם במאיץ ההדרונים הגדול לא נמצאו חלקיקי על-סימטריה. כתוצאה מכך נפסלו תחומים גדולים מטווח התכונות האפשרי של חלקיקי WIMP, ומועמדים חלופיים לחומר האפל, כמו אקסיונים וחורים שחורים קדמוניים, זוכים ליותר תשומת לב. אם גם המועמדים הסבירים ביותר לחומר האפל ייפסלו, הקוסמולוגיה תעמוד בפני משבר.
האנרגיה האפלה היא תעלומה עמוקה עוד יותר מהחומר האפל, שלגביו יש לפחות מועמדים סבירים שמחפשים אותם. הראיה לאנרגיה האפלה נשענת על הגילוי מ-1998 שהתפשטות היקום מואצת. התוצאה הזאת אוששה בתצפיות, ואין בה ספק, אבל הפירוש שלה שנוי במחלוקת עזה בין אסטרונומים ופיזיקאים. סימן נוסף לכך שדרוש משהו כמו אנרגיה אפלה בא מנתוני קרינת הרקע, שמראים שהמרחב שטוח. מכיוון שהחומר הנראה והחומר האפל מהווים רק 32% מצפיפות המסה-אנרגיה שדרושה כדי שהמרחב יהיה שטוח, את 68% הנותרים מייחסים לאנרגיה האפלה. במונחים של שקילות מסה-אנרגיה, הצפיפות של האנרגיה האפלה נמוכה מאוד, 6.9 × 10−27 ק"ג למטר מעוקב, אבל היא משתלטת על היקום כי היא מפוזרת באופן אחיד ואינה מתדללת כשהמרחב מתפשט. תוצאות שפורסמו לאחרונה ממכשיר DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), שפועל בטלסקופ מאיול בקוטר 4 מטרים במצפה קיט פיק, רומזות שעוצמת האנרגיה האפלה אולי משתנה לאורך הזמן הקוסמי. אם הדבר יאושש, זו תהיה תוצאה מרגשת, אבל היא תגביר עוד יותר את אי-הוודאות לגבי הטבע הפיזיקלי של האנרגיה האפלה.
פירוש אחד של האנרגיה האפלה הוא שהיא תכונה של המרחב – זה הקבוע הקוסמולוגי הקלאסי של איינשטיין, Λ. מכיוון שזו תכונה של המרחב עצמו, היא לא הייתה מתדללת כשהמרחב מתפשט: ככל שנוצר עוד מרחב, הייתה מופיעה עוד אנרגיה של מרחב. אבל שום תיאוריה בפיזיקה אינה חוזה למה למרחב צריכה להיות תכונה כזאת, או ערך שיגרום להאצה שאנחנו רואים. בנוסף, הקבוע הקוסמולוגי בגרסה של איינשטיין אינו אמור להשתנות עם הזמן הקוסמי. פירוש שני הוא שהאנרגיה האפלה היא ביטוי של "חלקיקים ואנטי-חלקיקים וירטואליים" שנוצרים ונעלמים ללא הרף. ידוע שזה קורה, אבל החישוב מראה שההשפעה של התופעה על המרחב-זמן גדולה פי 10120 מהנדרש! פירוש שלישי הוא סוג חדש של אנרגיה או שדה דינמיים; התאורטיקנים קוראים לו "קווינטסנציה" (quintessence, "היסוד החמישי"), כמחווה לפילוסופים היוונים הקדומים. ייתכן גם שתורת הכבידה שלנו שגויה. לאנרגיה האפלה אין כיום הסבר, והבנתה היא אתגר גדול לפיזיקאים ולאסטרונומים כאחד.
→ הסעיף הקודם: 17.14 הצפיפות הקריטית | הסעיף הבא: 17.16 גיל היקום ←