TUMEAINE ⟩ Seisame mõistatuslike «tumedate koostisosade» avastuse lävel

Millest koosneb universum? Praeguste hinnangute kohaselt moodustab tumeaine umbes 25%, tumeenergia 70% ja nähtav ehk tavaline aine vaid umbes 5% universumist. Meie arusaam nendest mõistatuslikest, n-ö tumedatest koostisosadest seisab siiani avastuse lävel ning nende uurimine hõlmab nii kosmoloogiat – astronoomia haru, mis käsitleb universumit selle kõige suuremates mastaapides – kui ka osakestefüüsikat.

Euroopa Kosmoseagentuuri (ESA) kosmoseteleskoop Euclid startis 1. juulil Floridast ülesandega Maast eri kaugustel asuvaid galaktikaid senisest täpsemalt vaadelda ja  kaardistada. Euclidi eesmärk on just tumeda universumi mõistmisele lähemale jõuda ja seekordne kosmosemissioon on üks peaaegu et lugematutest pingutustest uurida midagi, mis on jäänud seni tuvastamatuks ka kõige täpsematele mõõteseadmetele.

Ent kuidas mõõta midagi, mida silmaga ei näe?

Ootamatute kiirustega kosmiline karussell

Kujutage ette karusselli tiirlemist. Seda vaadeldes täheldaksime, et väljaspool asuvad istmed tiirlevad kiiremini nendest, mis on seespool. Välimised istmed peavad täistiiru tegemiseks läbima pikema vahemaa sama ajaga, mis sisemised istmed, seega liiguvadki need kiiremini.

Päikesesüsteemi tasandil on asjad teisiti. Päikesele ehk Päikesesüsteemi keskmele lähedal asuvatele planeetidele mõjub suurem gravitatsioonijõud kui välimistele. Nad tiirlevad stabiilse orbiidi säilitamiseks kiiremini kui välimised planeedid.

1970. aastate paiku uuris USA astronoom Vera Rubin koos kolleeg Kent Fordiga tähti, mis tiirlevad galaktika keskpunkti ümber. Astronoomid eeldasid, et tähtede tiirlemiskiirus järgib galaktika keskmest kaugemale liikudes sama põhimõtet nagu Päikese ümber tiirlevate planeetide puhul. Üllatusena leiti, et tähed galaktikate välispiirkondades tiirlesid ootamatult kiiresti. Peale galaktika keskpunkti gravitatsioonijõu on lisaks veel miski, mis hoiab neid tagasi galaktikatevahelisse ruumi lendamast.

Astronoomid on sarnast efekti vaadelnud eri kosmilistes mõõtkavades. Ligi 40 aastat enne Rubini tööd uuris Šveitsi-Ameerika teadlane Fritz Zwicky Coma-nimelist galaktikaparve. Zwicky täheldas, et parve servadel asuvad galaktikad liikusid prognoositust märksa kiiremini. Galaktikaparvi uuris 1980. aastatel ka Eesti kosmoloog Jaan Einasto, kes täheldas samuti galaktikate liikumises ootamatuid kõrvalekaldeid.

Aastakümnete jooksul esile kerkinud lahkhelid prognooside ja vaatluste vahel kinnistasid tõsiasja: nähtavate tähtede ja galaktikate mass ei olnud piisav, et põhjendada nende kiirusi. Midagi pidi olema lisaks. See miski, mis ei kiirga elektromagnetilist kiirgust, sh valgust, sai nimeks «tumeaine». Samamoodi nagu saame lehtede sahisemisest järeldada tuule olemasolu, järeldati taevakehadele avaldunud gravitatsioonilisest mõjust tumeaine olemasolu. Tumeaine ei jäänud aga universumi ainukeseks mõistatuslikuks koostisosaks.

Kaugus galaktika keskpunktist vs tähtede galaktikakeskme ümber tiirlemise kiirus. Astronoomid eeldasid, et tähtede tiirlemine jääb galaktika välimises osas aeglasemaks (kriipsutatud joon), sest gravitatsiooni mõju jääb väiksemaks. Üllatusena jätkuvad tähed kiiresti tiirlemist: neid hoiab galaktikas stabiilsena tumeaine. Foto: Springer Nature

Segame hulka energia

Füüsikatundidest võib meelde tulla Doppleri efekt – heli- või valguslainete nihe, mida vaatleja tajub laineallika liikumise suhtes. Sagedus ja lainepikkus on kaks olulist omadust, mis määravad lainete olemuse, kusjuures need omadused on omavahel pöördvõrdelises seoses. Igapäevaelus võime Doppleri efekti tähele panna, kui kuuleme kiirabi sireenide helikõrguse muutust. Kui sõiduk meile läheneb, on sireenide helilained kõrge sagedusega (ehk lühema lainepikkusega), eemaldumisel aga madala sagedusega (lained venivad).

Sisuliselt samasugune Doppleri efekt ilmneb ka taevakehadelt saabuva valguse analüüsimisel. Näiteks, kui galaktika liigub vaatlejast eemale, pikenevad lainepikkused selle elektromagnetlainete spektris ja valgus näib nihkuvat punasema spektripiirkonna poole. Kui galaktika liigub vaatlejale lähemale, lainepikkused lühenevad ja valgus näib nihkuvat sinisema spektriosa suunas. Tänu sellele saamegi vaatlejatena Maal hinnata, kas taevakeha meile läheneb või meist eemaldub.

Edwin Hubble avastas 1929. aastal, et galaktikate punanihke suurus on võrdeline nende kaugusega meist (Hubble’i seadus). See tähendas, et galaktikad eemalduvad meist. Selle asemel, et kujutleda galaktikaid läbi kosmose vuhisemas, on siiski korrektsem tõdeda, et neid kannab endaga kaasa universum, mis paisub. Universumi paisuva olemuse avastamine andis mõista, et tervikuna pole maailmaruum midagi liikumatut ja jäika, vaid see areneb aja jooksul.

Einsteini üldrelatiivsusteooria võrrandid olid juba varem prognoosinud kas paisuvat või kokkutõmbuvat universumit, seega langesid vaatlused esimesega neist kokku. Üldrelatiivsusteooria võrrandid ongi jäänud ka tänapäeva simulatsioonide üheks alustalaks.

Kui universumi struktuuri ja arengu mõistatuste lahtiharutamine jõudis 1990. aastatesse, avastasid kaks uurimisrühma erilist tüüpi supernoovad. Nende ereduse ja punanihke mõõtmisel selgus, et universum mitte kõigest ei paisu, vaid teeb seda pealekauba veel ka kiirenevalt. Müstilist, universumi suurimal mõõtkaval eemaletõukava jõuga energiavormi hakati nimetama tumeenergiaks, mis on tumeaine kõrval teine siiamaani mõistatuslik universumi koostisosa.

Järgnevatel aastatel tehtud kosmilise mikrolaine-taustkiirguse mõõtmiste ja kosmoloogiliste simulatsioonide tulemused hüpoteetilist energiavormi ei välistanud, vaid pigem soosisid. Siiski on tõendid nii tumeaine kui ka tumeenergia kohta kaudsed, ehk me oleme seni jälginud ainult nende mõju tavalise aine liikumisele. Sellegipoolest on üsna hämmastav, mida teadlased teleskoopide, matemaatika ja kohvi abil universumist teada on saanud, kas pole?

Foto: Sander Leesment / Ypsiloni fototöötlus

Varjatud aine mitmetahuline otsing

Esimesed vihjed tumeaine olemasolule alustasid mitmekesist ja tänaseni kestvat jahti aine varjatud olemuse paljastamiseks. Nende meetodite hulgas on katsed osakestekiirendites (sh katsed CERNis asuvas Suures Hadronite Põrgutis), hüpoteetilise elementaarosakese aksioni otsingud, neutriinoeksperimendid Antarktika jääkihi all ja vaatlused kosmoses.

1. Osakese vahetu tuvastamise eksperimendid ja hüpoteetiliste tumeainekandidaatide, sh WIMPide (ingl Weakly Interacting Massive Particle –nõrgalt vastastikmõjustuvad massiivsed osakesed) ja aksionide otsingud.

Sügaval maa all viiakse läbi mitmesuguseid eksperimente, et nähtava ainega interakteeruvaid tumeaineosakesi vahetult tabada.

Hüpoteetilised fundamentaalosakesed on pakutud lahenduseks osakeste standardmudeli omadustega seotud küsimustele.

2. Kaudne tuvastamine. Astrofüüsikud otsivad kosmosest ka tumeaineosakeste annihilatsiooni märke. Täpsemalt eeldatakse kõrge energiatasemega osakeste ülejääke nagu gammakiired, positronid ja antiprootonid, mis võivad tekkida, kui tumeaineosakesed põrkuvad ja annihileeruvad.

3. Kosmilise mikrolaine-taustkiirguse ehk reliktkiirguse (ingl Cosmic Microwave Background, CMB) uuringud. Aastal 1964 avastasid Ameerika astronoomid Robert Wilson ja Arno Penzias raadioteleskoobi abil kummalise signaali, mis kostis kogu aeg kõikjalt taevast ja tundus olevat igast suunast samasugune. Nad olid tegelikult mõõtnud universumi algusaegadest pärinevat kosmilist kiirgust. See avastus kinnitas teooriat, mis prognoosis, et universum on alates Suure Paugust paisunud.

Käesolevates uuringutes analüüsitakse taustkiirguse mustreid ja nende seost tumeainega.

4. Neutriinoeksperimendid. Mõned tumeaineteooriad seovad omavahel tumeaine ja neutriinod; viimased on elementaarosakesed, millest enamik läbib Maad ilma ühegi osakesega vastasmõjusse astumata. Nende üsnagi kummituslike osakeste omadusi uuritakse neutriinoteleskoobiga IceCube, mis asub spetsiaalses kambris lõunapooluse jääkihi all. Katseks on vaja ülipuhast ja suure pindalaga staatilist vett. Mõnikord tabab neutriino veemolekuli ja kõkkupõrke mõjul tekivad valgussähvatused.

Eestis tegeletakse tumeaine ja tumeenergiaga seotud uuringutega Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituudis KBFI-s, Tartu Ülikooli Füüsikainstituudis ja Tartu Observatooriumis. Teoreetilise osakestefüüsika suunal töötatakse välja uusi teooriaid, et tumeaine olemasolu osakestefüüsika abil selgitada. Kosmoloogia suunal simuleeritakse tumeaine kandidaate arvutiprogrammide abil. Gravitatsioonilainete tuvastamise tulemusena (eksperimentaalne tõestus avaldati 2016. a) avanes uus uurimissuund – mitmekanaliline astronoomia –, mis avas uksi tumeaine ja tumeenergia uurimiseks gravitatsiooniteooria toel.

Olevik ja tulevik

Küsimusi on rohkem kui vastuseid. Kuidas jaotub tumeaine universumis? Milline on universumi paisumise ajalugu ja mida see meile tumeenergia olemuse kohta räägib? Kuidas tekivad universumi suuremõõtmelised struktuurid?

Euclidi missioonist võime oodata pilte, milles on galaktikad liivateradena üle kaadri puistatud. Nimelt on ESA-l plaan miljardeid galaktikaid kaardistada ning mõõta nende kuju ja punanihet. Nii saab põhjalikumalt järge pidada, kuidas tumeaine kaugetest galaktikatest tulevat valgust moonutab.

Selline näeb välja Euclidi katsefoto, millega testiti kosmoseteleskoobi töökorda. Pildil universum infrapunaspektris Foto: ESA / Euclid / Euclid Consortium / NASA

Euclidi missioon on mh varustatud nähtava lainepikkuse kaamera (ingl VIS; visible-wavelength camera) ning lähi-infrapuna spektromeetri ja fotomeetriga (ingl NISP; Near-Infrared Spectrometer and Photometer). ESA meeskond, Euclidi konsortsium ja tööstuspartnerid on viimase paari kuu jooksul Euclidi kosmoseteleskoobi mõõtevahendeid kalibreerinud ja nende funktsioone kontrollinud. Euclid alustab vaatluseid, kui meeskonnad on kinnitanud, et kosmoses töötab kõik ootuspäraselt.

Kiiresti areneva kosmosetehnoloogia ja seni täpseimate mõõtevahenditega varustatult tiirleb avastustekarussell edasi. Poolustel läbi viidavate osakesteuuringute, kosmosemissioonide ning teooriate arendamise näol saavad kokku inimlik uudishimu ja tehnoloogilised edasiminekud. Küsimus, milline meetod lõpuks teadlastele tumeaine olemuse kohta vastuseid annab, on sama intrigeeriv nagu universumi varjatud osa isegi.

See on uudiskiri kosmoseteadlaselt igaühele, kes universumi ning selle uurimise kohta rohkem teada soovib. Harutame keerulised teemad ja viimased avastused ülevaatlike juppidena lahti. Kasutan uudiskirja ka astrofüüsika uurimistöö igapäeva poole jagamiseks, et avastused nii ulmelised ei tunduks.

Mari-Liisi Substack'i uudiskiri: https://kosmosest.substack.com/