Galaktyki w naszym wszechświecie wydają się dokonywać niemożliwego wyczynu. Obracają się z taką prędkością, że grawitacja wytwarzana przez ich obserwowalną materię nie jest w stanie utrzymać ich razem; już dawno powinny się rozerwać. To samo dotyczy galaktyk w gromadach, co skłania naukowców do przypuszczeń, że w grę wchodzi coś, czego nie widzimy. Uważają oni, że coś, czego jeszcze nie udało nam się bezpośrednio wykryć, nadaje tym galaktykom dodatkową masę, generując dodatkową grawitację, której potrzebują, aby pozostać nienaruszone. Ta dziwna i nieznana materia została nazwana „ciemną materią”, ponieważ nie jest widoczna.
Ciemna materia
W przeciwieństwie do normalnej materii, ciemna materia nie oddziałuje z siłą elektromagnetyczną. Oznacza to, że nie absorbuje, nie odbija ani nie emituje światła, co czyni ją niezwykle trudną do wykrycia. W rzeczywistości naukowcy byli w stanie wywnioskować istnienie ciemnej materii jedynie na podstawie efektu grawitacyjnego, jaki wydaje się wywierać na materię widzialną. Ciemna materia wydaje się przeważać nad materią widzialną mniej więcej sześć do jednego, stanowiąc około 27% wszechświata. Oto otrzeźwiający fakt: Materia, którą znamy i która tworzy wszystkie gwiazdy i galaktyki stanowi jedynie 5% zawartości wszechświata! Ale czym jest ciemna materia? Jednym z pomysłów jest to, że może ona zawierać „cząstki supersymetryczne” – hipotetyczne cząstki, które są partnerami tych znanych już z Modelu Standardowego. Eksperymenty w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) mogą dostarczyć bardziej bezpośrednich wskazówek na temat ciemnej materii.
Wiele teorii mówi, że cząstki ciemnej materii byłyby wystarczająco lekkie, aby mogły być produkowane w LHC. Jeśli zostałyby stworzone w LHC, uciekłyby przez detektory niezauważone. Jednak zabierałyby energię i pęd, więc fizycy mogliby wnioskować o ich istnieniu na podstawie ilości energii i pędu „brakujących” po zderzeniu. Kandydaci na ciemną materię często pojawiają się w teoriach, które sugerują istnienie fizyki wykraczającej poza Model Standardowy, takiej jak supersymetria i dodatkowe wymiary. Jedna z teorii sugeruje istnienie „Ukrytej Doliny”, równoległego świata zbudowanego z ciemnej materii mającej niewiele wspólnego z materią, którą znamy. Jeśli jedna z tych teorii okazałaby się prawdziwa, pomogłoby to naukowcom lepiej zrozumieć skład naszego wszechświata, a w szczególności to, jak galaktyki trzymają się razem.
Ciemna energia
Ciemna energia stanowi około 68% wszechświata i wydaje się być związana z próżnią w przestrzeni. Jest rozmieszczona równomiernie w całym wszechświecie, nie tylko w przestrzeni, ale także w czasie – innymi słowy, jej efekt nie ulega rozmyciu w miarę rozszerzania się wszechświata. Równomierne rozłożenie oznacza, że ciemna energia nie ma żadnych lokalnych efektów grawitacyjnych, ale raczej globalny wpływ na wszechświat jako całość. Prowadzi to do powstania siły odpychającej, która ma tendencję do przyspieszania ekspansji wszechświata. Tempo ekspansji i jej przyspieszenie można zmierzyć za pomocą obserwacji opartych na prawie Hubble’a. Pomiary te, wraz z innymi danymi naukowymi, potwierdziły istnienie ciemnej energii i pozwoliły oszacować, jak dużo tej tajemniczej substancji istnieje.