PM: Millest koosneb universum?

Kosmose koosseisu kirjeldamine meenutab mõneti lapsepõlvest tuttavat piltmõistatuse-võistlust: paberile on sirgeldatud mõned jooned ja punktid, täiendage neid nii, et välja tuleks mingi selge pilt; võidab see, kelle pilt on kõige leidlikum kirjutas PostimehesTartu Ülikooli füüsika instituudi vanemteadur Piret Kuusk.

Sest kuidas me saame teada millegi koostist? Kui me küsime perenaiselt, millest koosneb tema pirukas, siis loodame kuulda saada ta tegevuse kirjeldust: mida ja kuidas ta kokku segas. Kui me küsime füüsikult, millest koosneb prooton, siis loodame kuulda midagi CERNi suure hadronite põrgati töö kohta, kus hirmsuurte kiirustega prootonid sunnitakse omavahel põrkuma ning laialilennanud kildude uurimisest tehakse järeldusi prootoni koostise ja teda koos hoidvate jõudude kohta.

Aga universum? Seda me ju ei saa ei ise kokku panna ega ka mitte ise koost lahti võtta, et vaadata, millest ta koosneb ja kuidas ehitatud. Meie võimuses on vaid teha (füüsika)katseid siin Maa peal (või Päikesesüsteemis) ja kõikvõimalike teleskoopide abil kinni püüda kiirgusi, mis tulevad universumi kaugematest paikadest.

Neist üsnagi nappidest andmetest püüame enda jaoks välja kujundada mingisugust tervikpilti universumist, tema koostisest ja ajalisest arengust.

Viis aastat tagasi, kui ajakiri Science oma küsimused esitas, väitis tolleaegne teadus kosmose materiaal­se koosseisu olevat ligikaudu niisuguse: viis protsenti mateeriast on harilik aine, millest koosnevad tähed ja galaktikad ja mida me põhimõtteliselt võiksime näha, 25 protsenti on tumeaine, mida me näha ei saa (sest ei kiirga elektromagnetilisi jm laineid), kuid mille olemasolu võiks järeldada kaudsel teel nähtava aine jaotust uurides ja teadaolevaid füüsikaseadusi kasutades, ülejäänud 70 protsenti on tumeenergia, mis vastutab universumi kiireneva paisumise eest (see nähtus järeldati kosmoloogilistest vaatlustest alles tosina aasta eest).

Tumeaine jagunes harilikuks tumeaineks, mis hoiab gravitatsiooniliselt koos galaktikaid, ja eksootiliseks tumeaineks, mida on tarvis galaktikaüleste struktuuride kooshoidmiseks. Tumeenergia kohta ei osatud aga õieti mitte midagi lisada, nii et naljaga pooleks – tema kohta ei olnud teada mitte midagi peale ta nime.

Praegugi ei ole vale väita, et kosmose koosseis on umbes selline, nagu Science viis aastat tagasi kirjeldas. Kuid tänapäeval ei ole see enam ainuke võimalik vastus.

Nagu öeldud, otsivad kosmoloogid vaatlustest selliseid korrapärasid, millele saaks üles ehitada teooria. See protseduur meenutab mõneti lapsepõlvest tuttavat piltmõistatuse-võistlust: paberile on sirgeldatud mõned jooned ja punktid, täiendage neid nii, et välja tuleks mingi selge pilt; võidab see, kelle pilt on kõige leidlikum.

Vähegi usaldusväärseid kosmoloogilisi vaatlusandmeid saada on hullupööra vaevaline, seepärast ei ole neid eriti palju – need ongi need jooned ja punktid, mida tuleb täiendada teooriaks universumi ehitusest ja arengust.

Isegi kui me usume, et füüsikaliste nähtuste iga valdkonda peab kirjeldama üks ja «õige» teooria (see on ilmselt väga naiivne usk!), on praeguste kosmoloogiliste vaatluste täiendamine tervikpildiks universumist võimalik väga ja väga mitmel viisil.

Viie aasta tagune vastus – tõsi, pisut muutunud protsendiarvudega: 4,6 protsenti täheainet, 23 protsenti tumeainet, 72 protsenti tumeenergiat – on üks võimalik vastus küsimusele kosmose koosseisu kohta.

Tema suureks küsitavuseks on aga asjaolu, et vaatlusandmete seletamiseks tuuakse sisse uued mateerialiigid, mille kohta ei osata ikka veel eriti midagi öelda.

Tumeaine võimalikeks kandidaatideks on peetud kustunud («pruune») kääbustähti, musti auke või siis uut liiki osakesi, mida hakatakse otsima  ka suurel hadronite põrgatil; kui nood uued osakesed seal tõesti leitakse, siis on tumeaine olemasolu universumis saanud osakestefüüsika tugeva toetuse.

Tumeenergia on aga endiselt enam-vähem seletamatu. Kui lähtuda Einsteini üldrelatiivsusteooria võrranditest, siis ei peaks universumi paisumine mitte kiirenema, vaid hoopiski aeglustuma.

Tõsi, Einsteini võrrandisse võib lisada täiendava liikme, nn kosmoloogilise konstandi, mille sissetoomist kaalus omal ajal juba Einstein, ja tollele konstandile sobiva väärtuse omistamisega saaks kirjeldada ka vaadeldavat kiirenevat paisumist.

Kuid see tee takerdub kohe küsimusse: mis on selle uue konstandi füüsikaline mõte? Einsteini võrrand annab talle vaakumi energiatiheduse tähenduse, aga miks peaks tühjusel olema energia?

Kui võtta appi kvantväljateooria, kus tühjus – vaakum – on «tegelikult» täis kõikvõimalikke virtuaalseid osakestepaare, siis saaks vaakumi energiatiheduse välja arvutada, kuid see tuleb 120 suurusjärku suurem kui vaatlustest leitud kosmoloogilise konstandi väärtus.

Miski siin ei klapi lausa katastroofiliselt. Seepärast on järjest rohkem teoreetikuid hakanud kosmoloogiliste vaatluste samadele tulemustele üles ehitama täiesti teist tüüpi universumipilte.

Öeldakse, et meil pole vaja sisse tuua täiendavaid mateerialiike, ei tumeainet ega tumeenergiat, vaid tuleb kasutada teistsugust matemaatikat ja leida teooria, mis ainult nähtavat ainet kasutades lubaks välja arvutada kõik senised vaatlustulemused.

Kuid kuna see tee on veel rohkem piltmõistatuse-võistluse moodi, siis pole ime, et Einsteini üldrelatiivsusteooria täiendusi ja modifikatsioone on välja pakutud lausa kümneid (mõned neist muudavad ka Newtoni gravitatsiooniteooriat mastaapides, mis on kas palju suurem või palju väiksem Päikesesüsteemi mastaapidest, et olla seniste Newtoni teooriat kinnitavate katsete ja vaatlustega kooskõlas).

Vähem radikaalsed muutused tunnistavad tumeaine olemasolu – uued vaatlusriistad nii Maa peal kui satelliitidel on andnud tulemusi, mille tõlgendus tumeaine abil tundub väga loomulikuna – , mitte aga tumeenergia olemasolu.

Ülesandeks on seega universumi kiireneva paisumise teoreetiline seletamine mingil muul moel kui mõistatusliku tumeenergia abil. Siin on pakutud ja rohkem või vähem läbi arvutatud mitmeid väga erinevaid võimalusi.

Üks ettepanek, mida on tutvustanud juba ka ajakiri Scientific American (apr 2009), soovitab loobuda eeldusest, et meie Linnutee galaktika lähikonnas on universum keskmiselt samasugune nagu igal pool mujal.

Kui mateeria jaotus universumis on selline, et hiiglasuured  «mateeriapilved» vahelduvad hiiglasuurte tühimikega – kosmoloogilised vaatlused ei ole selle mõttega vastuolus –, ja kui meie asume juhuslikult just ühe sellise tühimiku keskosas, siis, nagu näitavad täpsemad arvutused, on kiireneva paisumise seniseid vaatlusi võimalik seletada Einsteini hariliku üldrelatiivsusteooria raames.

Kuid sel juhul on loobutud ühest nüüdisaegse universumiteaduse alusest – kosmoloogilisest printsiibist, mis väidab, et meie ei kujuta endast universumis midagi erakordset ja meie asukoht ei ole millegi poolest eriline.

Kosmoloogilise printsiibi idee pärineb Kopernikult, kelle taevasüsteemis Maa ei olnud enam universumi keskpunktis, vaid oli üks paljudest Päikese ümber tiirlevatest planeetidest. Seepärast nimetatakse seda printsiipi vahel ka Koperniku printsiibiks.

Viimased viissada aastat on universumit uuritud, lähtudes eeldusest, et  ükskõik millisest ruumipunktist me teda ka vaatleksime (st kujutleksime end vaatlevat), pilt oleks keskmiselt üpris sarnane Maalt nähtuga.

Ent kui kiireneva paisumise ülaltoodud seletus osutuks adekvaatseks, siis tuleks tunnistada, et meie asukoht on eriline – mateeria tihedus meie (kosmoloogilises) lähikonnas on palju väiksem kui mõnedes muudes piirkondades.

Kuid arvutused on juhatanud kätte ka vaatlused, mille kaudu saaks seda seletust ümber lükata. Kosmoloogiline printsiip on küll ju vaid filosoofiline eeldus, kuid siiski mõtlemist korrastav ja temast loobumine mõjuks häirivalt.

Teine arutluse all olev ettepanek ei loobu kosmoloogilisest printsiibist, küll aga kutsub revideerima senist matemaatilist skeemi Einsteini võrrandi kosmoloogiliste lahendite leidmisel.

On näidatud, et kui sobival viisil arvestada kosmoloogilise mateeria jaotuses olevaid väikesi ebaühtlusi, siis saame Einsteini võrrandite lahenditest keskmiselt välja lugeda ka kiireneva paisumise võimaluse. Need arvutused on üsna keerulised ja pole seni veel väga veenvad, kuid see ei tähenda, et idee oleks kehv.

Kolmas ettepanek on asendada Einsteini teooria mõne üldisema teooriaga, mis Päikesesüsteemi vaatluste seletamisel annaks samad tulemused kui üldrelatiivsusteooria, kuid kosmoloogilistes mastaapides tuleksid sisse just sellised erinevused, mis lubavad seletada nii kiirenevat paisumist kui ka teisi kosmoloogilisi vaatlusi.

Tolle uue üldisema teooria kuju suhtes puudub seni veel üksmeel, võimalikke variante on palju.

Seega, kui viis aastat tagasi julges Science anda kosmose materiaalse koosseisu selge kirjelduse, kuigi sisaldavana tundmatuid tumeainet ja tumeenergiat, siis nüüdseks on tollane vastus taandunud vaid üheks võimalikuks teiste seas ja otsustav valik seisab alles ees.

Lõpetuseks võib lisada, et kosmoloogilisi uurimusi tehakse ka Eestis: Tartu Observatooriumis on Enn Saare ja Jaan Einasto töörühm leidnud rahvusvahelistes suurprojektides saadud vaatlusandmetest uut teavet universumi suuremastaabilise struktuuri kohta, Martti Raidali töörühm Tallinnas Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituudis otsib märke tumeaine osakestest nii satelliitidel olevate mõõteriistade kui ka CERNi kiirendite andmetest ja TÜ füüsika instituudi teoreetikute töö üks teemasid on leida võimalus universumi kirjeldamiseks Einsteini üldrelatiivsusteooriast üldisemate teooriate abil. 

• Tweet