Mis leidis aset universumi esimese detsiljondik sekundi jooksul?

Tiit Sepp

Inflatsiooni- ja gravitatsioonilainete vaatluslik tõestus on suur samm lähemale looduse fundamentaalsete saladuste mõistmisele.17. märtsil 2014 teatas rahvusvaheline teadlasrühm, et nad on avastanud teleskoobiga BICEP-2 kosmilisest reliktkiirgusest B-tüüpi polarisatsiooni. See avastus viib meid sündmuste juurde, mis leidsid aset universumi esimese detsiljondik-sekundi jooksul. Avastus on esimene eksperimentaalne tõend selle kohta, et varases universumis toimus inflatsioon ning et gravitatsioonilained panid ruumi võbelema. Sajatuhandikkraadiseid temperatuurierinevusi jahtidesProfessor John Kovaci ja tema meeskonna liikmete näod olid 17. märtsil rõõmsad: kümne teleskoobi vahelisest „võiduvaatlemisest”, mil otsiti signaale meie universumi lätetest, väljus võitjana just BICEP-2 meeskond. Alates 2010. aastast on teleskoobi meeskond neljal ööl vaadelnud kosmilist reliktkiirgust. Amundseni-Scotti polaarjaamas, kus teleskoop paikneb, tähendab neli ööd ühtlasi nelja aastat, sest teleskoop paikneb umbes veerandtunnise jalutuskäigu kaugusel Maa geograafilisest lõunapoolusest ning kui Päike märtsis loojub, näeb seda horisondi kohal taas alles septembris. Reliktkiirguse vaatlemiseks on seal aga paremad tingimused kui kusagil mujal Maal. Reliktkiirgus viib meid universumi sünni juurde ning selle vaatlusi võib pidada justkui meie universumi esimeseks passipildiks: me saame näha, milline oli universum siis, kui tekkisid aatomid.

Reliktkiirguse vaatlemiseks on vaja külma teleskoopi, kuiva õhku ning kasuks tuleb ka, kui Maa magnetväli signaali võimalikult vähe segab. See viimane on pooluse lähedal hästi tagatud. Kui õhu kuivus jääväljade kohal on ideaalilähedane, siis keskmine temperatuur –60 °C tähendab, et teleskoobi mõõteaparatuuri tuleb täiendavalt ~210 kraadi jahutada, sest mitte ükski osa mõõteaparatuurist ei tohi olla soojem, kui 4 kraadi üle absoluutse nulltemperatuuri (–273 °C). Reliktkiirguse vaatlemisel, mille enda keskmine temperatuur on natuke alla 3° absoluutse nulltemperatuuri, on oluline tuvastada tuhandik-kuni sajatuhandikkraadiseid temperatuurierinevusi, mis annavad meile infot, millist ainet ja kus sel ajal oli.
Nende temperatuurierinevuste järgi näeme ühtlasi, kuidas aine oli tol ajal universumis jaotunud. Reliktkiirguse, 13,8 miljardit aastat universumis ringi rännanud valguskiirte abil, mis tekkisid ajal, kui universum oli 380 000 aastat vana, saab vaadata ka veel nooremat universumit. Selleks peame kasutama reliktkiirguse valguskiirte või siis teaduslikumalt footonite elik valgusosakeste polarisatsiooni. Polarisatsioon on valguse omadus võnkuda kindlal viisil. Näiteks just polarisatsiooni abil saame vaadata 3D-filme, mille vaatamiseks kasutatavate prillide üks klaas laseb läbi ühtmoodi, teine teistmoodi polariseeritud valgust, mistõttu näemegi pilti ruumiliselt. Reliktkiirguse valguskiired on polariseeritud kahte moodi: E- ja B-nimetus tulenevad analoogiast elektriõpetuse elektri- ja magnetvälja tähistega, kuna nende polarisatsiooniomadused on vastavate väljade sarnased. Kui E-tüüpi polarisatsiooni põhjustab ebaühtlus aine jaotuses, siis B-tüüpi polarisatsioon saab tekkida füüsika praeguste arusaamade järgi ainult tänu gravitatsioonilainetele elik Einsteini üldrelatiivsusteooriast johtuvatele aegruumi kõverdumistele. Einsteini üldrelatiivsusteoorias kirjeldatakse aega ja ruumi üheskoos ja selle järgi painutavad massiivsed objektid gravitatsioonilainetega enda ümber aegruumi nii, et näiteks isegi valguskiired ei liigu enam otse, vaid mööda ruumi kõverikke.

Universum oli suhteliselt üheülbaline
Mõistmaks avastuse sisu, peame rändama viiskümmend aastat ajas tagasi – aastasse 1964, mil teadlased Arno Penzias ja Robert Wilson otsisid meetodeid, kuidas mõõta atmosfääri-õhupallidelt peegelduvaid signaale. Ükskõik, mis suunas nad ka ei vaadelnud, ikka segas nende vaatlusi ühtlane „müra”. Olles eemaldanud kõik loogilised seletused – raadiojaamad, Maa atmosfääri mõjud, tuvide ekskremendid –, olid nad juba lootust kaotamas, kui said juhuslikult teada Princetoni ülikooli teoreetikute ennustusest, et samalaadse signaali võiksid anda Suure Paugu teoorias universumi tekke käigus „vabanenud” footonid.
Õnnelik juhus osutus sensatsiooniks ning 1978. aastaks olid mõlemad ameeriklased juba Nobeli auhinna võrra rikkamad ning universumi elulugu Suure Paugu teooriana suuresti kinnitatud. Kui Penziasi ja Wilsoni leitud reliktkiirgust täpsemini uuriti, selgus, et universum on liiga ühesugune. Näis, et aine on jaotunud ühtemoodi kõikides suundades. See oleks võimalik vaid siis, kui eri piirkonnad oleks suutnud üksteist kuidagi mõjutada. Samal ajal näitasid arvutused ja vaatlused, et see pole kuidagi võimalik. Seetõttu üritasidki paljud füüsikuid leida teooriat, kuidas fenomeni seletada. Lahenduseks osutus eeldus, et kunagi ammu enne reliktkiirguse teket, umbes 10-36 s (tuhat korda lühem ajahetk kui detsiljondik sekund) pärast universumi teket, paisus universum peaaegu hetkega (10-38 s) umbes ühe molekuli suurusest jalgpallisuuruseks. Tänapäeval tunneme seda ülikiiret paisumist kosmoloogilise inflatsiooni nime all. Esimesena mõtles sellise arengustsenaariumi välja Venemaal Aleksei Starobinski, kes ühendas oma mõttetöö käigus Einsteini relatiivsusteooria kvantfüüsikaga. Kuna raudne eesriie pidas kinni ka teadusavastused, siis avastas inflatsiooni uuesti ka ameeriklane Alan Guth, kes tegi selle teooria tuntuks.
Just inflatsiooniteooria osutus puuduvaks tükiks pusles, mis suutis ära seletada enamiku küsimusi, mis reliktkiirguse vaatlustest ilmnes. Ainus mure oli see, et inflatsiooni ennast polnud keegi kunagi vaadelnud ja sellest polnud ühtegi signaali, seni said astronoomid vaid arvutada, kuidas universum tekkis. Lähtudes Suure Paugu teooriast on teada, et selleks hetkeks, mil algas inflatsioon, oli universum suhteliselt üheülbaline. Pea kõiki neid elementaar­osakesi, mida tunneme, olemas veel polnudki. Tõtt-öelda olid olemas vaid footonid ning gravitatsioonilained. Kui footonite ebaühtlusest tulenevat polarisatsiooni oli juba vaadeldud, seda on näha E-tüüpi polarisatsioonist. Gravitatsioonilained põhjustavad Einsteini teooriast lähtuvalt aegruumi kõverdumisi ja need omakorda põhjustasid 380 000 aastat hiljem reliktkiirguse valguskiirte tekkeajal B-moodi polarisatsiooni. Aegruumi kõverdumine tähendab aga seda, et neis kohtades ei ole isegi valguskiirte jaoks kõige otsem tee enam sirgjoon.

Füüsika Püha Graal
Nüüd siis mõõdeti, et taevasse vaadates on gravitatsioonilained tekitanud taevasfäärile umbes kahe Kuu suurused signaalijäljed. Just nende, umbes 3 kaarkraadi suuruste polarisatsiooniringikeste abil nähtigi ürgse inflatsiooni mõju. Kuigi inflatsiooni ja gravitatsioonilainete vaatluslik tõestus on suur samm looduse fundamentaalsete saladuste mõistmisele lähemale ja avastus on tähtsuse poolest võrreldav Higgsi bosoni leidmisega, ei ole astronoomide töö veel lõppenud. Kuna vaatlused on keerukad (näiteks iga B-tüüpi polarisatsiooniga footoni kohta püüdis teleskoop ka 10 miljardit teist footonit, mille hulgast siis tuli see üks õige leida), siis veendumaks avastuse tõesuses, peab ootama ka teiste teleskoopide vaatlusandmeid. Juhul kui need kinnitavad BICEP-2 tulemusi, võiks Rootsi Teaduste Akadeemia Nobeli komitee töö üheks korraks lihtne olla. Samas astuti ka suur samm füüsika teiste suurte saladuste lahendamise poole: tänu B-tüüpi polarisatsioonile on oluliselt suurem lootus kui eales varem ühendada neli universumi fundamentaaljõudu – elektromagnetiline, tugev, nõrk ja gravitatsiooniline vastastikmõju. See aga on juba füüsika Püha Graal. Jääb vaid loota, et füüsikute otsingud on edukamad kui kuningas Arthuri rüütlite omad.