Tumeaine ja tumeenergia, mustast august rääkimata

11. apr. 2014 Karl Kello - 1 Kommentaar

Eesti teaduste akadeemia väitlusel „Tumeainet otsimas” nädal tagasi TÜ raamatukogu konverentsisaalis osalesid kosmoloog Jaan Einasto, osakestefüüsik Martti Raidal ja satelliidilooja Mart Noorma. Eesti kosmoseteaduse au ja uhkus. Maailma tipptase.

Väitlus väitluseks, aga esimest ja viimast korda jäädi tõsisele eriarvamusele, vastates küsimusele, kas tumedast ainest saab ka musta auku tekitada. Kui tal on juba gravitatsiooniline mõju. Kõlasid diametraalselt vastupidised vastused. Jaan Einasto: „Kindel ei!” Martti Raidal: „Jaa!” Erinevus on musta augu tiheduses ja tumeaine tiheduses. Must auk neelab kõike, kaasa arvatud tumeainet. Mis seal sees on, vahet pole …

Kui neist põhjendustest ainult täpselt aru saaks … Sest lihtinimese jaoks tundub tumeaine, tumeenergia olevat otsekui pime öö – käega katsuda ei saa, näha teda ei ole, aga midagi seal olema peab. Ja eks ole ka ööl teatud gravitatsioonimõju – tõmbab ikka väga tugevalt pead padja poole. Tumeaine ja tumeenergia on midagi nii uut, et ei leidu vastavat märksõna veel trükitud „Eesti entsüklopeediaski”. Tumeda ehk varjatud mitteaine olemasolu teadvustati alles kümmekond aastat tagasi. Siiski, esialgu teatakse öelda pigem seda, mida tumeaine ei ole.

Tumeaine olemus

Akadeemik Martti Raidali sõnul kehtib tumeaine kohta üks väga lihtne printsiip: me ei tea tema kohta midagi muud peale selle, et ta on olemas. Kui panna kogu meie teadmine kokku, siis tumeainet on universumis kusagil viis korda rohkem kui tavalist ainet ja 75% universumi energiast on tumeenergia. Ainus, mis teada, on see, et tumeaine interakteerub tavalise ainega ainult gravitatsiooniliselt.

Kosmoloog Jaan Einasto on tumeaine avastamisloos sees olnud algusest peale. Tema kinnitusel on üks oluline järeldus sellest, et tumeaine mõjub üksnes gravitatsiooni kaudu, see, et temast ei saa midagi teha. Tänapäevane füüsika arenes põhiliselt möödunud sajandi jooksul. Siis arvati, et kõik, mis maailmas on, koosneb ainest, tavalisest ainest, millest saab teha asju, olgu siis kontorilaud, taevatähed, udukogud või kiirgus, aga midagi muud ei ole olemas.

Ometi on ta vundament

Kuigi tumeainest ei saa teha asju, on ta vundament. Kuna tumeaine on universumis domineeriv, sõltub temast, kuidas universumi struktuur praegu välja näeb. Einasto järgi on tumeaine otsekui vundament, millel tavalised struktuurid said/saavad areneda. Ainult tavalise aine puhul ei oleks mingisuguseid süsteeme universumi algaegadel saanud tekkida. Lihtinimene aga ütleks muidugi, et kuivõrd me ei tea, millest see vundament koosneb, ei tea me ka, millel kõiksus baseerub ja mis see elu üldse on.

„Paarikümne aasta jooksul on oodata suurt muudatust meie maailmapildis: kui on käes selgus, mis see tumeaine, tumeenergia õieti on,” tõdeb akadeemik Einasto. Olukord on umbes sama nagu sada aastat tagasi, mil arvati, et füüsika on lõppenud, enam pole palju midagi teha. Oldi kindel, et kõik on selge, jäänud on vaid paar probleemi. Üks neist oli valguse kiiruse sõltumatus liikuva keha enda kiirusest. Nende nähtuste detailseks uurimiseks loodud füüsika ongi 20. sajandi füüsika. Kogu nüüdisaegne tehnoloogia on viimase sajandi füüsika ja ka teiste teaduste rakenduse tulemus. Ka praegu on kaks suurt tundmatut, tumeaine ja tumeenergia, ja uute teadmiste saamisel tumeaine loomuse kohta meie maailmapilt kindlasti muutub. Ainult et kuidas muutub, pole teada. Martti Raidali järgi ongi kõige parem, et seda uut ei ole võimalik ette ennustada. See teeb asja huvitavaks. Kõige kurvem on, kui mingi ennustus tõestub viiekümne aasta pärast ja nii saab teada poolsada aastat vana teadmise (nagu juhtus Higgsi bosoniga).

Et tumeaine loomus on selgumata, on meie tuntud füüsikas midagi viltu. Võimalik, et Newtoni gravitatsiooniseadus nõuab modifitseerimist. Tegevusväli on lai seega nii eksperimentaatorite kui ka teoreetikute jaoks. Kui Jaan Einasto esitas nelikümmend aastat tagasi, 1974, oma arvutused, et midagi on universumis kümme korda rohkem kui senituntud ained, oleks kosmoloogiamaailmas justkui pomm lõhkenud. Esimese küsimusena tekkis kohe: millest see koosneb? Selleks ajaks oli teada, et ta ei saa koosneda tähtedest ega gaasist, vaid on mingisugust tundmatut päritolu.

Vaadata minevikku: universumi ajalugu

Kosmoloogid ehitavad üha võimsamaid teleskoope – et vaadata minevikku. Nii tumeenergia kui ka tumeaine mõjutavad universumi arengut ja ehitust. Uut tüüpi teleskoobid võimaldavad uurida universumi ajalugu ning tumeenergia ja tumeaine osa selles. Mida kaugemale õnnestub vaadata, seda rohkem minnakse ajas tagasi (valgusel võtab teatud aja, et meieni jõuda). Praegu pole tumeenergia loomusest midagi teada. Tänu sellistele astronoomilistele n-ö kaugvaatlustele saab selle kohta infot.

Kuidas aga teha vahet tumeenergial ja tumeainel? Martti Raidali järgi peab tumeaine koosnema mingisugustest osakestest, olema tavalise aine sarnane, sest gravitatsiooniliselt ta tõmbab. Mass ja energia ei ole päris samad asjad. Universum paisub ja üha kiitemini. Seetõttu on teada, et on olemas tumeenergia. Tavaaine on tavalistes laborieksperimentides mõõdetav, tema omadused on enam-vähem teada. Tumeaine kohta on teada, et ta peab olema tavaainega võrreldavas olekus, ja tumeenergia on otsekui ühtlane foon. Me elame tumeaine pilves. Tumeaine ei mõjuta meie päikesesüsteemi, n-ö planeetide liiklust päikesesüsteemis, küll aga Päikese liikumist galaktikas. Tumeaine avaldab mõju galaktikale tervikuna, päikesesüsteem on nii väike ja tumeaine nii hõre.

Sõna ja inflatsioon

Tänapäeva füüsika arvates ei ole Suur Pauk midagi muud kui ainult sõna. „Suur Pauk võis olla olemas, aga praegu tal tähendus puudub,” ütleb Martti Raidal. Ja tähendus puudub sellepärast, et kõige varasem, mis universumis toimus, oli inflatsioon. Ei ole teada, mis oli enne inflatsiooni, kas universum oli suur või väike, kas kõver või sirge, kas ta oli täis või tühi. Kui toimus inflatsioon, paisus ruum eksponentsiaalselt. Ükskõik, millest ta alustas; ükskõik, mis seal sees oli, kogu see informatsioon on kadunud. Ainukese informatsioonina teame tollest ajast, et kvantfluktuatsioonid on jätnud jälje taustakiirgusesse. Seda on mõõdetud ja see on nüüd füüsikaline fakt. Mis toimus enne seda, ei ole teada. Arvatavasti toimus kõik see, mis universumis praegu on, pärast inflatsiooni. Kui inflatsioon lõppes, muutus see energia, mis universumi paisutas, kiirguseks. Mis oli enne, ei tea keegi. Mis juhtus pärast, seda saab juba vaadata.

Sõna … Inflatsioon … Igatahes ei saa siinkirjutaja jätta meenutamata üht maailmakirjanduse tüviteksti, mille järgi „alguses oli Sõna” ja et „ilma temata ei ole tekkinud midagi”.

Füüsika on eksperimentaalne teadus

Osakestefüüsikud otsivad signaale tumeaine interakteerumisest tavaainega. Neid ei ole leitud. Kui see interaktsioon toimub, siis väga nõrgalt. Mis peaks tähendama, et valdavalt pole meil mingit aimu, mis see universum õieti on. Seega on ka tumeaine kasutatavusega rahvamajanduses probleeme.

Lõunapoolusel asuv teleskoop mõõdab foonikiirgust (kosmiline reliktkiirgus, vt ka Sirp 04.04). Alles väga hiljuti, 17. märtsil selgus, et inflatsioon oli nii võimas, et tekkisid gravitatsioonilained. Kui varem oli inflatsioon ainult teoreetiline kontseptsioon, teoreetikute hüpotees teatud vastuolude kõrvaldamisel, siis see on esimene eksperimentaalne tõend niisugusest suurest gravitatsiooniline põrutusest.

Kuidas tumeainet otsitakse? Martti Raidali sõnul on põhimõtteliselt enam-vähem teada, et tal ei ole footonit, millega tavaline aine interakteerub, aga kõik teised interaktsioonid võivad olla. Oluline on just footoni olematus. Praegu on seis selline, et mingit kindlat tumeaine interaktsiooni tavalise ainega ei ole nähtud. Protsess jätkub. Eksperimendid jätkuvad. Otsitakse antiainet ja kadunud energiat. Kuivõrd me elame tumeaine pilves, võivad tumeaine osakesed annihileeruda meie maailma osakestega. Ja kuna annihilatsiooni produktid koosnevad ainest ja antiainest, siis kõige lihtsam on otsida antiainet, see on terve tööstusharu. CERN-is otsitakse seda kadunud energiat ega leita.

Akadeemiku vaheküsimus

Jaak Aaviksoo: „Mis saab enne otsa, uudishimu või kogu maailma rikkus? Mina olen aru saanud, et mõistuse ja tahtmiste puudust ei ole. Iga niisugune eksperiment maksab üha rohkem raha pluss füüsikalised piirid: eksperiment muutub nii suureks, et ei mahu maa peale ära, või vajab nii palju energiat, et ei piisa enam kohapealsest.”

Martti Raidal sedastab, et kiirenditega on see piir saavutatud. Kui kiirendi maksab kümme miljardit, siis satelliit maksis sada miljonit. Nüüd hinnatase küll juba tasapisi tasandub. Ekspansiivne areng on peaaegu oma piiri saavutanud. Mõned suuremad asjad saavad rahastuse ja tehakse valmis. Veel kakskümmend aastat, kas saame targemaks või pole enam võimalik sel moel jätkata.

Järg sotsiaalteadlaste käes

Mart Noorma sõnul on reaalteadlased teinud kõik, mis suudavad. Edasine on sotsiaalteadlaste kätes (pidades silmas sõjalisi väljaminekuid). CERN-i kümme miljardit on umbes sama suurusjärk kui pidada teatud hulk päevi Iraagi sõda. Ehk teisisõnu: sotsiaalteadlaste töö ja tegu oleks mõjutada inimkonna arengut selles suunas, et mitte kasutada oma ressursse kasutult.