En cosmologie, l'énergie sombre est une forme d'énergie hypothétique remplissant tout l'Univers et exerçant une pression négative se comportant comme une force gravitationnelle répulsive. L'énergie sombre pourrait expliquer l'accélération de l'expansion de l'univers et la constante cosmologique. Les recherches astrophysiques actuelles sur le sujet ont pour but principal de mesurer avec précision l'expansion de l'univers afin de déterminer la manière dont l'expansion varie avec le temps. L'univers en serait composé à environ 65 %.
L'énergie sombre (à ne pas confondre, comme c'est souvent le cas, avec la matière sombre) est directement liée à la constante cosmologique. Celle-ci fut initialement proposée par Albert Einstein comme un mécanisme pour contrer la gravitation et conduire à un univers statique. Néanmoins, ce fait fut reconnu plus tard par Einstein lui-même, la constante cosmologique ne mène qu'à des modèles cosmologiques où l'univers était instable et l'existence d'inhomogénéités locales conduisent à une expansion ou une contraction de celui-ci à grande échelle. De plus, les observations effectuées par Edwin Hubble en 1929 avaient montré que l'univers n'était pas statique mais en expansion. Après cette découverte, la constante cosmologique fut releguée au rang de curiosité historique.
Dans les années 1970, Alan Guth a proposé que ce soit la constante cosmologique qui provoquerait l'inflation cosmique dans l'univers primordial. Même une fois que les modèles inflationnaires soient devenus largement acceptés, la constante cosmologique fut considérée comme inadéquate à la description de notre univers. Néanmoins, à la fin des années 1990, les satellites et les télescopes ont permis des mesures très précises des supernovas distantes et du rayonnement fossile micro-onde. Plusieurs caractéristiques observées peuvent être expliquées à l'aide de l'énergie sombre.
Du fait de sa nature répulsive, l'énergie sombre a tendance à accélérer l'expansion de l'univers, plutôt que le ralentissement attendu dans un univers dominé par la matière. Un univers accélérant est exactement ce que l'on constate en observant les supernovas les plus lointaines. D'une manière remarquable, les observations de supernovæ semblent indiquer que l'énergie sombre doit représenter environ 70% de la densité critique d'énergie. Ainsi, en additionnant les différentes énergies, on arrive exactement à ce qu'il faut pour avoir un univers actuel plat, correspondant aux observations.
Il semble nécessaire qu'une énergie répulsive soit largement présente dans l'univers afin d'assurer, globalement et localement, un équilibre avec l'énergie attractive de la gravité. Ces deux énergies et la prise en considératon de la relation E=mc² permettent de traduire en énergie la totalité de la matière composant l'univers. Ainsi, il apparaît que l'univers ainsi que tous ses composants, y compris les hommes que nous sommes, sont issus, directement et à la suite de diverses transitions de phases connues, d'une énergie que l'on peut considerer comme "primordiale". Cette énergie serait ainsi la source de toutes les forces agissant dans l'univers : elle serait à l'origine du big bang. La nature exacte de l'énergie sombre fait largement partie du domaine de la spéculation. Certains estiment que l'énergie sombre serait l'énergie du vide, représentée par la constante cosmologique de la relativité générale. C'est l'explication la plus simple et poser une constante cosmologique signifie que la densité de l'énergie sombre est uniforme, et constante dans tout l'univers, invariable en fonction du temps. C'est la forme introduite par Einstein, et cette forme est cohérente avec nos observations actuelles de l'univers. Si l'énergie sombre prend cette forme, cela signifie qu'il s'agit d'une propriété fondamentale de l'univers.
D'autres hypothèses ont été avancées. Ainsi, l'énergie sombre pourrait être induite par l'existence de particules inconnues. Ces modèles sont appelés quintessence. Certaines théories proposent que ces particules ont été créées en quantité suffisante lors du big bang pour remplir tout l'espace. Néanmoins, si cela était le cas, on s'attendrait à ce qu'elles se regroupent et on observerait des variations de densité en fonction du temps. Aucune preuve n'en a été observée, mais la précision des observations ne permet pas d'exclure cette hypothèse.
On peut remarquer qu'une forme ou l'autre de l'énergie sombre est l'explication la plus plausible de l'inflation cosmique qui eut lieu peu après le big bang. Cette inflation est un mécanisme essentiel des théories cosmologiques actuelles expliquant tout à la fois la formation des structures et l'isotropie de l'univers à grande échelle. Il n'est pas établi si l'énergie sombre actuelle est reliée à l'énergie sombre qui aurait provoqué l'inflation.
Si l'énergie sombre continue de dominer la balance énergétique de l'univers, l'expansion observée de l'espace va continuer à accélérer jusqu'à devenir finalement exponentielle. Les structures qui ne sont pas déjà reliées gravitationnellement vont se briser et ses parties vont s'éloigner les unes des autres à des vitesses apparentes supérieures à celle de la lumière. L'accélération nous empêchera finalement d'observer des portions importantes de l'univers qui sont aujourd'hui visibles. Néanmoins, il convient de remarquer que si la densité de l'énergie sombre n'augmente pas, alors les structures reliées gravitationnellement, telles les galaxies ou les systèmes planétaires, le resteront. Ainsi le système solaire ou la Voie lactée resteraient essentiellement identiques à ce qu'ils sont aujourd'hui, alors que le reste de l'univers nous semblera s'enfuir loin de nous.
Par contre, l'énergie sombre pourrait ne pas être constante mais augmenter avec le temps. Dans un tel scénario, appelé le Big Rip, toute la matière de l'univers, même les atomes, pourraient finalement être désintégrés, laissant un univers vide et sans aucune structure.
Finalement, l'énergie sombre pourrait se dissiper avec le temps, ou même s'inverser. Les incertitudes sur les observations laissent la porte ouverte sur le fait que la gravité puisse un jour dominer un univers qui se contracte sur lui-même et disparaisse dans un Big Crunch. Ce scénario est néanmoins considéré comme le moins probable.
En mai 2004, la publication de travaux réalisés avec le satellite Chandra et consistant à mesurer les distances de 26 amas de galaxies lointains semblent confirmer que l'expansion a commencé à accélérer il y a 6 milliards d'années, et que l'énergie sombre semble rester constante, ou alors varie très lentement. Cela est compatible avec l'existence d'une constante cosmologique et rend des scénarios tels le Big Crunch ou le Big Rip improbables.