1998 legten zwei unabhängige Teams ein Ergebnis vor, nach dem sie nicht gesucht hatten — das High-Z Supernova Search Team unter Brian Schmidt und Adam Riess sowie das Supernova Cosmology Project unter Saul Perlmutter. Sie hatten versucht, die Verzögerung der kosmischen Expansion zu messen, in der Erwartung, die Gravitation werde sie mit der Zeit bremsen. Die Daten zeigten das Gegenteil: die Expansion des Universums beschleunigt sich. Typ-Ia-Supernovae bei hoher Rotverschiebung waren lichtschwächer — und damit weiter entfernt —, als sie hätten sein dürfen, wenn die Expansion sich verlangsamte. Eine unbekannte Komponente — bald Dunkle Energie genannt — trieb die Expansion in die Beschleunigung. Die Entdeckung wurde mit dem Nobelpreis für Physik 2011 gewürdigt.
Das Universum expandiert: das Hubble-Gesetz (1929) zeigt, dass ferne Galaxien sich mit einer Geschwindigkeit entfernen, die mit der Distanz wächst, v = H₀·d. Die Expansion ist intrinsisch zur Raumzeit — die Galaxien bewegen sich nicht durch den Raum hindurch; der Raum selbst dehnt sich zwischen ihnen. Die Allgemeine Relativitätstheorie knüpft die Rate und die Beschleunigung der Expansion an den Energiegehalt des Universums: Materie und Strahlung erzeugen Verzögerung, eine kosmologische Konstante (Einsteins Λ) oder eine allgemeinere Dunkle Energie mit negativem Druck erzeugen Beschleunigung. Die 1998 entdeckte kosmische Beschleunigung heißt: der größte Teil der Energiedichte des Universums steckt in einer Form, die sich wie eine kosmologische Konstante verhält: rund 70 % Dunkle Energie, 25 % Dunkle Materie, 5 % gewöhnliche Materie. Typ-Ia-Supernovae — Explosionen Weißer Zwerge, die die Chandrasekhar-Masse überschreiten — sind standardisierbare Kerzen: ihre intrinsische Leuchtkraft lässt sich kalibrieren, und die beobachtete Helligkeit liefert die Entfernung. Zusammen mit der Rotverschiebung ergibt sich die Expansionsgeschichte. Die Beschleunigung ist heute über mehrere unabhängige Beobachtungssonden gegengeprüft: die kosmische Hintergrundstrahlung, baryonische akustische Oszillationen, die schwache Gravitationslinsenwirkung von Galaxien, Zählungen von Galaxienhaufen, das Timing der großräumigen Strukturbildung. Alle laufen auf annähernd dieselben ΛCDM-Parameter hinaus. Die physikalische Natur der Dunklen Energie ist unverstanden. Das einfachste Modell ist Einsteins kosmologische Konstante — eine konstante Energiedichte des leeren Raums. In der Quantenfeldtheorie müsste das Vakuum eine Energiedichte tragen, doch naive Rechnungen liefern einen Wert, der etwa 10¹²⁰-mal größer ist als die beobachtete Dichte der Dunklen Energie. Dieses Problem der kosmologischen Konstante ist eine der größten Diskrepanzen zwischen Theorie und Beobachtung in der Physik und bleibt ungelöst. Mögliche Alternativen sind dynamische Dunkle Energie (ein langsam rollendes Skalarfeld, Quintessenz), modifizierte Gravitationstheorien oder anthropische Auswahl.
Kosmologische Durchmusterungen (DESI, Euclid, Vera-C.-Rubin-Observatorium, das kommende Roman Space Telescope) vermessen die Zustandsgleichung der Dunklen Energie mit zunehmender Präzision. Die frühen Ergebnisse von DESI (2024) deuten auf eine mögliche zeitliche Variation der Dichte der Dunklen Energie hin — ein Befund, dessen statistische Signifikanz derzeit umstritten ist, der aber die Frage neu entzündet hat, ob die Dunkle Energie wirklich konstant ist. Gravitationswellen-Beobachtungen von Verschmelzungen binärer Neutronensterne liefern als unabhängige Standardsirenen-Methode einen Zugang zu H₀. Die Entdeckung der kosmischen Beschleunigung hat die Kosmologie verwandelt, aus einem vorwiegend beschreibenden Fach in eine Präzisionsdisziplin der Physik, und die Frage, was Dunkle Energie eigentlich ist, gilt heute als eines der größten ungelösten Probleme der Physik.