Ta paisub siiski, ja kiirenevalt

Martti Raidal, Marek Strandberg

Nobeli füüsikaauhind 2011 anti kaugete supernoovade vaatluste kaudu avastatud kiirenevalt paisuva universumi eest.       Tänavu läks Nobeli füüsikapreemia igas mõttes asja ette. See anti olulise avastuse, puhta ja elegantse vaatluse eest valdkonnas, mis uurib universumi olemust ja arengut. Keerukas kosmoloogia on siiski seletatav ka valemivabalt. Tähti, tähekogusid ja galaktikaid on astronoomid vaadelnud-kirjeldanud sajandeid ja Linnuteed on teatud tuhandeid aastaid. Esmalt  tehti vaatlusi silma ja hilisemal ajal läätsedest optiliste teleskoopide abil. Arvata võib, et sama vana kui astronoomia on ka kosmoloogia ehk lood-teooriad universumi tekkest, olemusest ja arengust. Moodne kosmoloogia on aga üsna hiljutine ja selle nurgakiviks on Einsteini teooria ja teisalt avastus, et universum paisub. XX sajandi kosmoloogiliste teooriate hulk on aukartustäratav ja astrofüüsikud fantaseerivad maailma tekke ja arenguteede üle sedavõrd,  kui selleks on olnud katsetes kindlaks tehtut. Kuna tähtede kaugusi on võimalik mõõta, ja eeldada võib, et tähed on enamjaolt ühesugused (oma füüsikalises loomuses), siis ilmnes, et mida kaugem täht, seda pikema lainepikkusega on tähes toimuvat meieni toov valgus.

      
Seda kutsutakse punanihkeks ja see ongi selge kinnitus paisuva universumi kohta. Paisumiskiirus on teada ja seetõttu saab eeldada, et mingil hetkel sai see paisumine alguse. Seda hetke on hakatud kutsuma Suureks Pauguks. Einsteini üldrelatiivsusteooria andis võimaluse see nullpunkt ja alghetk välja arvutada. Esmalt oli see arvutus küllalt ebatäpne, kuid  mida täpsemalt suudeti hinnata universumi alghetke, seda rohkem tekkis ka kosmoloogilisse käsitlusse vastamata küsimusi ja paradokse. Tähtedes toimuvat osatakse aimata ning tähtedest tulev kiirgus ja muud omadused, näiteks mass, lubavad aimata tähe vanust. Universumi tekketeooria ebatäpsused aga võimaldasid leida tähti, mis osutusid olevat vanemad kui universum ise. Loomulikult polnud mitte tähed vanemad kui universum, vaid  meie arusaam universumist oli siis veel vildak. Meie teadmistesse maailmaruumist lisandus hulgaliselt uut pärast 1989. aastal kosmosesse saadetud satelliidilt COBE (kosmilise taustakiirguse uurimise tehiskaaslane – cosmic background explorer) saadud andmeid. Tegemist oli ülitäpse mõõteriistaga, mille abil tehti kindlaks, et taustakiirgus – Suure Paugu järgsest ajast, kui kuumast plasmast hakkas tekkima aine ning selle tulemusena tekkis raadiolainetena  siiani maailmaruumis leviv kiirgus – pole ruumis ühetaoline, vaid laiguti tugevam ja laiguti nõrgem. Universum oli toona, kui see kiirgus tekkis, vahest meie mõistes vaid mõned sajad tuhanded aastad vana. Tohutus energiatulvas paisunud algse universumi jaoks on selline laigutine ürgvälja jaotus või fluktuatsioonid kinnituseks, et esmalt on see paisumine olnud kiirenev. Meie maailmapilt ütleb ka seda, et kui paisumist põhjustav väli laguneb, jõud saab  otsa, jääb järele aine. Universumi paisumine on siis põhjustatud energiast või füüsikalistest väljadest ja selle koospüsimine ainest või õigemini aine raskusjõust. Kumb maailma arengut mõjutavatest mõjuritest – kas aine või energia? – on ühel või teisel universumi arenguetapil määravad, ongi paljuski kosmoloogia põhiküsimus. Selline universumi tekke ja arengu teooria ennustaski kiirgusfluktuatsioone. Neid ka COBE abil mõõdeti ja nähti, vaatamata sellele,  et need olid vaid 0,00005 kelvini kraadi, võrrelduna universumi keskmise temperatuuriga, mis on 2,73 K.   

üüd tuleb ka see hetk, kus meil on põhjust sellesse kosmoloogilisse maailmapilti sisse tuua tänavuse Nobeli füüsikaauhinna saajad Saul Perlmutter, Brian Schmidt ja Adam Riess. Ei saa märkimata jätta, et sedapuhku on tegu nooremapoolsete teadlastega, mis läheb kokku ka Alfred Nobeli sooviga innustada oma auhinnaga inimesi veelgi enam teadusse panustama. 

Aga avastusest endast. Kõik laureaadid  vaatlesid teatud tüüpi supernoovasid ehk plahvatanud tähti. Täheplahvatuste eripärasse süvenemata võib teadmiseks võtta, et neid on teada loomult viit eri tüüpi. Meie loo kangelased tegelesid 1A-nimeliste supernoovadega, mis on teatud mõttes kui kindla valgusega majakad. Neis pole enam vesinikku ja valgust kiirgab neist räni. Tegemist on seega küllalt standardsete valgusallikatega. Nii neid ka uurijate hulgas kutsutakse: standardküünlad. Uurijate  esmane soov oli mõõta (nii nagu esmalt mõõdeti ka universumi paisumist tähtede kiirguse punanihkega) seda, millised on kaugemate ja lähemate täheplahvatuste eemaldumise kiirused ja kiirendused. Eeldati, et õnnestub mõõta paisumise aeglustumist. Need tööd avaldati 1989. aastal. Selle uurimisega tegeles kaks uurimisrühma ja tulemuseks oli täpselt vastupidine eeldatule. Meie universumi paisumine mitte ei aeglustu, vaid kiireneb. Tolle aja  vaatluste vead olid küll suured, kuid see tõsiasi suudeti tuvastada. Praeguse seisuga kavandab Euroopa kosmoseagentuur täpsete kosmoloogiliste mõõtmiste satelliidi Euclid loomist ja selle kastuselevõttu 2019. aastal. Siis peaksime saama sealt ülitäpseid mõõtmistulemusi kõikvõimalike liikumiste ja suhete kohta maailmaruumis. Kiirenevalt või aeglustuvalt paisuv universum võib paljusid õlgu kehitama panna. Ja ka küsima, mis vahe selles on ja milles see olulisus  seisneb. Järeldused on aga kiirenevalt paisuvast universumist sama suured, kui seda olid ilmselt tõdemused, et Maa on ümmargune ja tiirleb ümber Päikese.     

  Maailm on sootuks teine, kui siiani kujutletud. Kiirenev paisumine tähendab, et jätkuvalt domineerib, nagu universumi tekke ajalgi, universumi protsessides just energia. Aeglustuvalt paisuv universum, kui selline oleks avastatud,  andnuks „võidu” ainele, selle massile ja raskusjõule. 72% universumi loomusest on energia ja sellest „jääb maha” ainet, millest teame vaid 17%. 82% ainest kannab nime tumeaine, sest me ei tea selle loomusest peaaegu mitte midagi. Me ei tea seda, kas tumeaine, mis hoiab universumis meile nähtavat ainet kärgjalt, on kergem kui need aatomid, millest meil aimu, aga seda ainet on palju ja kõikjal. Äkki on hoopis vastupidi ja tegemist on üliraske ainega,  mida esineb suurusjärke hõredamalt kui meie nähtavat ainet. Võimalikku aine ja tumeaine ja tumeenergia jaotust universumis teame tänu WMAP-nimelise satelliidi mõõtmistööle 2000. aastate algusest.   

Tumeaine enese avastamislugu pärineb 1934. aastast, kui Fritz Zwiki postuleeris sellise  mittenähtava aine olemasolu kui põhjuse, miks galaktikad hoiavad end klastriteks nimetatud kogumeisse, liikudes nähtamatu keskme ümber. Ka eesti teadlane Jaan Einasto on tegelnud tumeaine mõju kaardistamisega ning leidnud astronoomilistest mõõtmistest lisakinnitusi tumeaine kohta. Tumeaine enese loomus on siiani siiski teadmata, kuid hüpoteese, millega tegemist võib olla, jagub. Nii on ehitatud ka mitmeid tumeaine detektoreid,  mis on nagu suured puhta aine reservuaarid Maa sügavuses vanades kaevandustes, kuhu loodetakse, et kosmiline kiirgus ei küüni. Kuna tumeainest ei tule valgust ja tumeainel ei ole elektromagnetilist mõju, on neis detektoreis lootus, et tumeaine osake põrkub nähtava, n-ö barüonaine osakesega ja tulemuseks on mingi valgussähvatus või soojuse eraldumine. Seni kooskõlalisi katsetulemusi veel ei ole. Osast, just väiksematest ja väiksema tundlikkusega  katseseadmetest, saadakse kinnitusi, et elame tumeaine pilves. Suurematest ja täpsematest katseseadmetest selliseid kinnitusi aga ei ole. Aine, millest me ise ja meie vaadeldav maailm koosneb, on asümmeetriline: on olemas aine, aga puudub antiaine, selline, kus antiprootoneist ja antineutroneist aatomituuma ümber tiirleksid positronid. Tumeaine kohta puudub seegi teadmine, kas tegu on sümmeetrilise või asümmeetrilise ainega. Seega avastamisvõimalusi  jagub.       

Universumit paisutava energia loomusest ei tea me just väga palju. Teoorias kannab universumit paisutav jõud kosmoloogilise konstandi nime. Teooriates on kosmoloogiline konstant olnud Einsteini üldrelatiivsusteooriast saati. Ja seesama kosmoloogiline konstant on oma praeguse väärtuse saanud ka nüüdsete nobelistide kiireneva paisumise  mõõtmiste kaudu. Universumit paisutava energiavälja iseloom on aga selline, et selles olevatel osakestel ei ole spinni – osakeste omadust, mis võimaldab meil näiteks suhteliselt lihtsalt elektromagnetvälja püüda ja tuvastada antennide, läätsede, kas või hõbedaühendite abil, nii nagu toimis aastakümneid fotograafia. Esimene masin, mille abil seda universumit paisutava välja olemust ehk õnnestub mõista, on CERN is (Euroopa  Tuumauuringute Keskus) paiknev raskete osakeste põrgati (LHC). Osake, mida otsitakse, on Higgsi boson, mis peaks olema universumit paisutava välja sugulane, mis omakorda annab meile nähtavale ja ka veel nähtamatule ainele massi. See välja muutumine osakeseks, nagu arvatakse seda toimivat, on umbes samasugune nagu meie nägeminegi. Sättides silma elektromagnetvälja ette, laguneb see väli osakesteks, footoniteks, ja need  siis põhjustavad edasisi elektrilisi ja keemilisi protsesse silmas, mille tulemusena me valgust ja muutusi selles tajumegi. Universumit paisutava välja nägemiseks on lihtsalt vaja teistsugust silma, milleks ongi CERN is paiknev kiirendi. Enamik universumi massist (u 72%) paikneb tumeenergias, mille kohta on vaid teooriad ega ole ühtki head ideed, kuidas sellele katseliselt jaole saada. Nii ongi kosmoloogilise konstandi füüsikaline olemus  ilmselt üheks tõsiselt suureks väljakutseks ja selle lahtimõtestajad ilmselt ühed tulevastest nobelistidest. 

Arvata, et meil on selge ja lõplik pilt meie maailmaruumist, on ilmselt ekslik. Teaduses lõplikke tõdesid ei ole ja iga avastus või teooria on teaduslik tõde koos oma loomuses oleva hetkega, mil see lakkab ümbrust  kirjeldamast ja ennustamast. Nii on juba teooriaid, mis püüavad kiirenevat paisumist kirjeldada sel moel, et aine võib olla paigutunud universumis sfäärilistele pindadele ning meie nende sfääride sees näemegi seda, kuidas ei muu kui raskusjõud seda ainet meist aina kiirenevalt eemale rebib. Siiski on tänapäeval ainus toimiv ja vaadeldud nähtusi kirjeldav teooria see, mis ütleb, et vaakumil on oma, see nn tumeenergia,  mis universumit paisutab. Füüsika otsalõppemisest rääkida ei saa. Meil on teadmine olemas napilt üle 4% maailma kohta. Nii tumeenergia kui tumeaine olemus on teadmata, kuigi selle olemasolu iseenesest nähtav ja mõõdetav. Ses mõttes oleme maailma mõistmisel taas sellises alkeemilises seisus, nagu oldi sajandeid tagasi.       

Ühe loo autori, Martti Raidali, juhtida  on tumeaine osakestefüüsika ja kosmoloogia tippkeskus, kuhu on koondatud üle 30 teadlase. Selle tippkeskuse eesmärk ongi jõuda paremale arusaamale meie universumi olemusest. Miks, võite küsida. Ja miks just Eestis? Julgeme öelda, et maailma tunnetamisel ja sellest arusaamisel on väga sügav tähendus. Vaevalt et keskmine talumees XX sajandi alul oskas lugu pidada ka Plancki või Einsteini  arusaamadest maailma kohta. Tänapäeval kasutab keskmine talumees mobiiltelefoni ja üle keskmise talumehel on traktor, millega on võimalik põllul toimetada GPS-seadmega navigeerides.       

Nii teevad tulevaste põllumeeste huvides  selles tippkeskuses tööd Keemilise ja Biolooglise Füüsika Instituudi osakestefüüsika töörühm ja Tõravere observatooriumi kosmoloogia töörühm. Teadus on rahvusvaheline nähtus ja meiegi teeme omi katseid CERN is. Nüüd hakkavad vilja kandma need tööd, mida 20 aasta jooksul on selle uue kiirendi loomisel tehtud. See on tegelikult väga kirglik ja põnev aeg. Õhk, või õigem oleks öelda – vaakum, on avastuste ootusis tiine.  Astronoomilised vaatlused ja tänavuste nobelistide töö on neid ootuseid üsna korralikult viljastanud. Põnev on. Arvata võib, et kõigi huviliste jaoks, kes süveneda vaevuvad. Ja kes ei vaevu, see nautigu teiste otsimistuhinat ja avastamisrõõmu. Looming, nagu iga teinegi.

Kui sulle meeldis see postitus jaga seda oma sõpradega

[LoginRadius_Share]
 

Leia veel huvitavat lugemist

Värske Rõhk
Hea laps
LR
Keel ja kirjandus
Akadeemia
Kunstel
Muusika
Õpetajate leht
Täheke
TeaterMuusikaKino
Vikerkaar
Looming