Tumeaine olemus on müsteerium

Lea Larin

Praegu veel ei teata väga hästi, kuidas universumi struktuur mõjutab galaktikate teket ja kuidas on tekkinud meie Linnutee galaktika.Astrofüüsik Elmo Tempel on pälvinud SA Vabariigi Presidendi Kultuurirahastu noore teadlase preemia 2013.

Teie peamisteks uurimisteemadeks on universumi struktuuri uuringud ja tumeaine olemus.
Elmo Tempel: Universumi struktuur on teaduses viimase kolme-neljakümne aasta teema. Kui sada aastat tagasi kirjutati raamatuid universumi ehitusest, siis mõeldigi ainult meie oma galaktikat –
Linnuteed. Arusaam, et universum on suurem ja laiem, on tekkinud viimase saja aasta sees ja umbes viimased kolm-nelikümmend aastat on teada, milline universumi struktuur üldjoontes välja näeb. Aga endiselt on väga palju teadmatut. Ei teata veel väga palju sellest, kuidas universumi struktuur mõjutab galaktikate teket ja kuidas on näiteks tekkinud meie oma Linnutee galaktika.
Praeguseks ei ole ka kõik universumis leiduvad galaktikad teada, kuigi neid on põhimõtteliselt võimalik vaadelda. Kui teleskoop taevasse suunata ning see teleskoop on piisavalt suur, siis me põhimõtteliselt näeksime peaaegu kõiki galaktikaid, mis seal on.
Kuna ei ole piisavalt suuri teleskoope ning ei ole aegagi, et kogu taevast ära vaadelda, siis seni ei ole veel kõiki galaktikaid vaadeldud ja seda ei tehta tõenäoliselt mitte kunagi. Kõige suurem piirkond, mida praeguseks on vaadeldud, on umbes üks viiendik kogu taevast. Selles alas on vaadeldud ligi miljonit galaktikat. See on ainult väike hulk kõigist galaktikatest selles taevaalas.

Kuidas galaktikad tekivad?
Galaktikad tekivad erineval moel. Alge on sama, on olemas ürgne gaas ning gaasist hakkavad tekkima tähed. Aga kuidas tähtedest tekib galaktika, selleks on mitmeid võimalusi. Praegu arvatakse, et algselt tekivad väiksemad galaktikad, seejärel need väiksemad galaktikad liituvad omavahel ja moodustavad järjest suuremaid ja suuremaid süsteeme. Olenevalt sellest, kuidas väiksemate galaktikate liitumine on toimunud, tekib kas ketasgalaktika, nagu on meie galaktika, või siis tekib suurem ja sfäärilisem elliptiline galaktika.
Galaktikaid tekib kogu aeg, kuid nende tekkeprotsess on aeglane. Ühe galaktika tekkeks läheb miljoneid, isegi miljardeid aastaid aega. Galaktika ei saa kunagi valmis, vaid areneb pidevalt. Ka meie enda galaktika põrkab mõne miljardi aasta pärast kokku meie naabriks oleva Andromeeda galaktikaga ja kahest galaktikast tekib üks suurem. Me teame, kuidas gravitatsioon toimib ja seega saab simulatsioonidega ennustada, kuidas see kokkupõrge välja võiks näha ja milline oleks lõplik tulemus.

Millised protsessid mõjutavad galaktikate teket? Kuidas universumi struktuur võib galaktikate teket mõjutada?
Galaktikate teke on ühelt poolt mõjutatud protsessidest, mis toimuvad galaktika sees, ning teiselt poolt sõltub galaktikate teke sellest, millises keskkonnas galaktika paikneb. Galaktikasisestest protsessidest kõige olulisem on tähtede teke ja surm. Kõige olulisemad on supernoovade plahvatused, mis kujutavad endast massiivsete tähtede surma. Plahvatuse käigus paistakse täheaine ümbritsevasse keskkonda ja tekkiv lööklaine kutsub esile uute tähtede tekke.
Kuna galaktikad ei teki isolatsioonis, vaid nad on mõjutatud keskkonna poolt, kus nad paiknevad, siis selle kaudu universumi struktuur mõjutabki galaktikate teket. Universumi piirkonnas, kus galaktikaid on rohkem, näiteks galaktikate parvedes, toimub ka galaktikatevahelisi põrkeid rohkem, mis siis otseselt mõjutavad galaktikate arengut. Galaktikate põrked stimuleerivad uute tähtede teket galaktikas. Seevastu universumi struktuuris paiknevates tühikutes on galaktikate omavaheliste põrgete sagedus väiksem ja galaktikate areng rahulikum.

Kas galaktikate vaatluste põhjal saab omakorda teha järeldusi universumi struktuuri kohta?
Kui uurida, kuidas galaktikad on universumis jaotunud, kas ühtlaselt või mitte, siis selle järgi saabki teada, milline on universumi struktuur. Galaktikad ei ole ühtlaselt jaotunud, vaid on koondunud ahelatesse või kettidesse, mida nimetatakse galaktikate filamentideks. Kõige lihtsam universumi struktuuri kirjeldus: see on galaktikate ahelate võrgustik, mille sõlmpunktides on galaktikate parved. Peale galaktikate ahelate ja parvede on olemas ka galaktikate tasandid, nende vahele jäävad suured tühikud. Eksisteerib galaktikate superparvi, kuhu väga palju galaktikaid on kokku kogunenud. Universumi struktuur on väga mitmekesine.
Tegu on ruumilise võrgustikuga, mille skaalat on väga raske öelda. Galaktikate võrgustik eksisteerib peaaegu igal skaalal. Ka ajas, muutudes ajas. Kui me vaatleme kaugemaid objekte, siis me põhimõtteliselt vaatame ajas tagasi, kuna valgus liigub lõpliku kiirusega. Sedasi on astronoomias võimalik vaadelda ajalugu. Vaadeldes kaugeid objekte näeme, milline oli universum või mõni konkreetne galaktika veel mõned miljonid või miljardid aastad tagasi. Ja kui me uurime sellise struktuuri olemust, siis näeme, et struktuur on aja jooksul muutunud. Universumi struktuur ei ole olnud püsiv, vaid muutub pidevalt.
Universumi struktuuri areng on seotud gravitatsiooniga, gravitatsioon on see, mis universumi struktuuri on tekitanud. Algselt, kui universum tekkis, siis mingit struktuuri ei olnud. Kõik aine oli enam-vähem ühtlaselt jaotunud, olid vaid väga väikesed häiritused. Neist väga väikestest häiritustest – kui gravitatsioon hakkas mõju avaldama, hakkas aine kokku tõmbama – tekkiski see struktuur, mida me tänapäeval näeme. Universumi struktuuri on arvutitega simuleeritud ja modelleeritud ning vaatluslik universumi struktuur vastab väga täpselt sellele, mida tänapäeva simulatsioonid meile ütlevad. Kust gravitatsioon tekkis või mis see gravitatsioon oma olemuselt on, seda ei tea mitte keegi. Gravitatsioon on meie universumis olemas, tõmbab meid Maa poole ja mõjutab ka universumit ja galaktikaid.

Mis on tumeaine ja tumeenergia?
Tavalist ainet on universumis väga vähe, ainult 4%. Tumeainet on umbes viis korda rohkem ja kõik ülejäänud on tumeenergia, millest me ei tea peaaegu mitte midagi.
Tumeaine ongi tegelikult see, mis määrab universumi struktuuri – selle, milline universumi struktuur praegu on. Nähtav aine lihtsalt järgib tumeaine struktuuri, võib öelda, et ilma tumeaineta ei oleks meil sellist universumit, nagu on.
Tumeaine olemasolu teame vaatluste ja matemaatiliste kosmoloogiliste mudelite põhjal. Modelleerime, milline universum peaks olema, seejärel teeme arvutused ning nende põhjal saame järeldada, kui palju tumeainet peab olema. Samamoodi vaadeldes, kuidas mingi galaktika pöörleb, saame teada, kui palju tumeainet galaktikas on. Galaktikate parvedes saab tumeaine kogust hinnata galaktikate liikumise abil.
Tumeaine on igal pool. Kuna ta ei interakteeru, või interakteerub väga nõrgalt, siis tumeaine osakesed liiguvad Maast niimoodi läbi, et ei jäta mingit jälge. Iga päev liigub väga palju tumeaine osakesi Maast läbi, paraku ei ole kuidagi võimalik kindlaks teha, kui palju neid liigub ja mis see tumeaine on.
Tumeaine olemusega tegelemine on maailmas üsna levinud, selle kohta on isegi oma termin – astroosakeste füüsika, mis tegelebki sellega, et otsida tumeaine ilminguid või olemust astronoomilistest allikatest.
Tumeenergia on pigem väli, mingisugune energiaväli. Tumeenergia olemasolu avastati supernoovasid vaadeldes ning tumeenergia väljendub universumi kiireneva paisumisena. Kiirenev paisumine toimib väga suurtel skaaladel, universum tervikuna paisub kiirenevalt, kuid mitte üksikud galaktikad või galaktikate grupid. Galaktikaid ja galaktikagruppe hoiab koos gravitatsioon ning tumeenergia neid otseselt ei mõjuta. Et kirjeldada seda, miks universum tänapäeval kiirenevalt paisub, selleks läheb vaja tumedat energiat, tumeenergia ongi see, mis lükkab universumit laiali. See on praegu kõik, mis tumeenergiast teada on, teda on vaja, et seletada kiirenevat paisumist, aga mis ta oma olemuselt on, selle kohta on ainult väga ähmased ideed.

Millega tumeaine olemasolu tõestatud on?
Tumeaine olemasolu on tõestatud ainult gravitatsiooniga – tumeaine avaldab gravitatsiooni kaudu mõju tavalisele ainele. Me saame öelda tumeaine kohta, et need on mingid osakesed, millel on mass, aga mis ta muud on, selle kohta veel midagi teada ei ole. Tumeaine on oma olemuselt müsteerium. Teadlased on tumeainet küll uurinud, kuid kõik viimastel aastatel avaldatud teated tumeaine olemuse kohta on osutunud valeks.
Selles mõttes on tumeaine samasugune nagu Higgsi boson, et Higgsi bosoni olemasolu ennustati samuti kõigepealt matemaatilistes mudelites ja siis otsiti, otsiti ning nüüd siis lõpuks ka leiti. Tumeaine osakese puhul on probleemiks see, et mudeleid, mis tumeaine osakest kirjeldavad, on väga palju. Nii ei ole täpselt teada, mida otsida ning senised otsingud ei ole kahjuks tulemusi andnud. Me ei tea endiselt, mis see tumeaine on. Me teame, mida ta ei ole, sest väga palju mudeleid on ümber lükatud, aga sellest ei ole kasu selles suhtes, et me teaksime tumeaine olemusest natuke rohkem.
On üsna selge, ütleme, et 99,9% kindel, et tumeaine on osakese kujul olemas. Kuid tumeaine olemus võibki jääda meile elu lõpuni saladuseks, kui osutub tõeks, et tumeaine ei interakteeru ühegi teise osakesega. Sellisel juhul me ei saa mitte kunagi teada, mis ta on, sest teda ei ole võimalik ei otseselt ega kaudselt vaadelda, jääbki ainult tema gravitatsiooniline mõju, mida saame uurida.
Eksisteerib ka alternatiivsed teooriaid, mille järgi tumeainet ei ole üldse olemas ja kogu see universum, mida näeme, on seletatav sellega, et need gravitatsiooniseadused, mis kehtivad Maal, ei kehti universumis, ei kehti suurtel skaaladel. Neid alternatiivseid teooriaid väga tõsiselt siiski ei võeta.

Universumi tasand näikse teadvusele hoomamatu. Kui palju saab universumi struktuuri uurides toetuda teadvustatava ja tajutava maailma mõttemudelitele?
Universumi tasand ei olegi teadvusele nii väga hoomamatu. Mind innustab huvi – milline universum välja näeb? Astronoomia ongi eelkõige vaatlustlik teadus, seda, millised on galaktikad ja milline on universumi struktuur, on võimalik vaadelda nii galaktikate kui ka universumi filamentide tasemel, teooria tuleb juurde, et neid vaatlusi seletada ja matemaatiliselt kirjeldada.
Usun ka, et meie universumis on elu, eksisteerivad mingid eluvormid kusagil veel peale Maa, näiteks teistes galaktikates paiknevates tähesüsteemides. Kui võtta statistiliselt: meie galaktikas on 100 miljardit tähte, universumis umbes sama palju galaktikaid, millest igaühes on niisama palju tähti ja teadaolevalt umbes poolte tähtede ümber on planeedid, siis on planeete universumis ikka tohutult palju ja ma usun, et kuskil on veel elu. Oleks naiivne arvata vastupidist.
Kuid ei ole teada, kas peale meie universumi on veel teisigi universumeid. Multiversumi teooria järgi võib universumeid rohkem olla, kuid see jääbki teooriaks, kuna meil ei ole isegi mitte ühtegi ideed, kuidas kindlaks teha, kas eksisteerib ainult üks universum või on neid rohkem.
Veel meie eluaja jooksul saadakse kindlasti rohkem teada selle kohta, mis asi on tumeaine, ja ehk sedagi, mis on tumeenergia päritolu ja miks nad mõlemad universumis olemas on.

Elmo Tempel
PhD astrofüüsikas
Tartu observatooriumi teadur, keemilise ja bioloogilise füüsika instituudi järeldoktor
SA Vabariigi Presidendi Kultuurirahastu noore teadlase preemia 2013
Ernst Julius Öpiku nimeline stipendium 2005 ja 2008
Uurimisprojektid:
„Tumeaine otsingud astronoomilistest allikatest”
„Galaktiliste ketaste ja sferoidide osakaal universumis”