90 aastat tumeda aine jälil

Tumeda aine ja kosmilise võrgustiku – nii on universumi struktuuri hakatud viimasel ajal nimetama – avastamist võib kosmoloogias pidada paradigma muutuseks.

LAURITS LEEDJÄRV

Ühel 1943. aasta kevadpäeval sisenes Tartu tähetorni Toomemäel üks 14aastane poiss. Isalt oli ta jõulukingiks saanud Roopi Hallimäe raamatu „Astronoomilisi vaatlusi“ ning sellest tärganud huvi ajendas lähemalt vaatama, mida tehakse selles omapärase kupliga hoones. 75 aastat hiljem, 2018, tellitakse selleltsamalt poisilt, kes on vahepeal saanud täismeheks ja jõudnud väärikasse ikka, artikkel paradigma muutustest kosmoloogias ühte väga soliidsesse ja rohkelt tsiteeritavasse astronoomia ja -füüsika aastaraamatusse („Annual Review of Astronomy and Astrophysics“).1 26. jaanuaril 2019 võtab üks tuntumaid astronoomia-ajakirju Astronomy and Astrophysics avaldamiseks vastu tema artikli superparvede evolutsioonist kosmilises võrgustikus2 – järjekordse teadusartiklite reas, kus on ees juba üle 320 liikme.

23. veebruaril 2019 tähistab seesama „poiss“ ehk vanameister Jaan Einasto 90. sünnipäeva. Kui kasutada Eesti astronoomias trafaretset väljendit grand old man, siis Einasto kohta sobib see suurepäraselt ja omamoodi sümboolselt. Tuleb ju tema perekonnanimi tähtede ümbertõstmisest Eesti rahvusvahelises Estonia nimetuses ning inglise keel on saanud – meeldib see meile või mitte – teaduse igapäevaseks keeleks. Küllap on Einasto elu jooksul inglise keeles kirjutanud tunduvalt rohkem kui eesti keeles, aga sellest hoolimata jäänud eestimeelseks – nagu oli ka tema kooliõpetajast isa Elmar Eisenschmidt, kes 1930. aastate nimede eestistamise käigus oma perele uue nime võttis. Eisenschmidti nime oli Elmari esivanematele pannud aga saksa mõisnik Pühajärve lähistel asunud Raudsepa talu järgi.

Einasto kui nähtus

Me võime rääkida Einastost kui nähtusest, Einasto fenomenist. Üks selle iseloomulikke tunnuseid on sügavate eesti juurtega rahvusvahelisus. Einasto on oma esivanematest kirjutanud „Eesti mõtteloo“ sarja raamatus „Tumeda aine lugu“.3 Ma ei tea, kas seda veel kuskil raamatukauplustes või Ilmamaa kirjastuse varudes leidub, aga võimaluse korral tasub otsida. Rahvusvahelise versiooni tumeda aine loost, mis sisaldab ka rohkesti meenutusi Jaan Einasto esivanematest ja elukäigust, on ilmutanud kirjastus World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd..4 Seal on Einasto läinud juurte otsimisega veelgi sügavamale ning leidnud, et tema vanaema vanaema oli pärit aadlisuguvõsast. Aadliliine pidi võimaldab andmebaas geni.com ajada jälgi tunduvalt kaugemale kui lihtrahval ning nii on Jaan Einasto leidnud, et tema otseste esivanemate hulgas on olnud nii Vene riigi rajaja Rjurik, esimene Rooma keiser Augustus kui ka Aleksander Suure isa, Makedoonia kuningas Philippos II, umbes 3250 aastat eKr ehk 124 inimpõlve tagasi aga Egiptuse vaarao.

Teadusaadli hulka (kui sellist nähtust saab eristada) kuulub Jaan Einasto kindlasti nii Eestis kui ka kogu maailma astronoomide hulgas. Selleni jõudmises peab ta üheks eeskujuks ja õpetajaks Ernst Julius Öpikut (1893–1985), kelle 125. sünniaastapäeva me hiljuti meenutasime. Öpikuga on Einasto kohtunud kolm korda, esimene põgus jutuajamine toimus sellesama 1943. aasta sügisel Tartu tähetornis, kui Einasto käis kuulamas professor Taavet Rootsmäe (1885–1959) astronoomialoenguid, mida Rootsmäe pidas kahele üliõpilasele. Need värvati aga peagi Saksa sõjaväkke ja nii jäi professori ainsaks kuulajaks 14aastane koolipoiss. Ühel loengujärgsel vestlusel oligi tal võimalus näha ka seda meie astronoomia suurkuju, kes järgmisel sügisel oli sunnitud Eestist põgenema.

See, et tume aine on nüüdseks omaks võetud ja kuulub loomuliku koostisosana meie astronoomilisse maailmapilti, näitab Jaan Einasto ja ta kolleegide visadust oma ideede läbisurumisel. Pildil akadeemik Jaan Einasto oma kabinetis Tõravere observatooriumis.

Margus Ansu / PM / Scanpix Baltics

Einasto ei olnud otseselt Öpiku õpilane, küll oli seda Grigori Kusmin (1917–1988), keda Einasto peab oma õpetajaks. Võib arvata, et Öpiku ja Kusmini eeskujul on ka Einasto omandanud oskuse ära tunda, kus parajasti on teaduses kõige teravamad küsimused ning sellest lähtudes püstitada õige probleem. Probleemi ei minda lahendama silmaklappidega, tuleb püüda eraldada oluline ebaolulisest, võtta arvesse kõik olulised andmed ja teadmised uuritava nähtuse kohta ning otsida lahendust, mis on kõigi nendega kooskõlas. Öpik on nimetanud niisugust lähenemist morfoloogiliseks meetodiks.

Kõrvalseisjad võivad mõelda, et teadusavastus tuleneb ühest leidlikult kavandatud eksperimendist, vaatlusest või teooria teravmeelsest arendamisest. Vahel võib ju nii juhtuda, aga enamasti ei saa avastust fikseerida ühe konkreetse sündmuse või kuupäevaga. Universumi tumeda aine avastamisega seoses on palju räägitud Einasto ja nooremate kolleegide artiklist prestiižses ajakirjas Nature 1974. aasta juulikuus,5 aga sellelgi on oma eellugu, mis ulatub Öpikuni välja. 1915. aastal, olles veel Moskva ülikooli üliõpilane, leidis Öpik, et meie Linnutee tasandis mingit tähtedest erinevat nähtamatut ainet ei ole. Sama tulemust kinnitasid uuemate vaatlusandmete põhjal 1950. aastate algul tehtud Kusmini uuringud. Sellega vastandus Kusmin Hollandi astronoomi Jan Hendrik Oorti (1900–1992) tööle, kes oli 1932. aastal leidnud, et teadaolevatest tähtedest Linnutees ei piisa vertikaalse kiirenduse seletamiseks. Kõik need otsingud käsitlesid nn lokaalset tumedat ainet.

Galaktikaid ja nende parvi ümbritsevat tumedat ainet võime nimetada globaalseks. Üks teine XX sajandi suurkuju, Bulgaarias sündinud Šveitsi päritolu ja peamiselt Ameerikas töötanud astronoom Fritz Zwicky (1898–1974) leidis juba 1933. aastal, et Berenike Juuste tähtkujus (ld Coma Berenices, lüh Com) nähtav galaktikate parv ei saa koos püsida muidu, kui peab sisaldama suurel hulgal nähtamatut ehk tumedat ainet.6 Zwicky kasutabki otsesõnu väljendit dunkle Materie. Kuid see töö, nagu ka suure levikuga rahvusvahelises ajakirjas ilmunud ingliskeelne täiendatud uurimus,7 jäi kolleegide ja üldsuse tähelepanuta. Tol ajal olid astronoomid rohkem huvitatud tähtede ehitusest ja evolutsioonist ning kauged udukogud, nagu galaktikaid siis veel nimetati, ei pakkunud eriti huvi. Siiski on Zwicky sünnimajale Varnas paigaldatud mälestustahvel, kus nii bulgaaria kui ka inglise keeles on teda nimetatud neutrontähtede ja tumeda aine avastajaks.

Selle kõrvalepõikega ei taha ma sugugi vähendada Jaan Einasto rolli tumeda aine avastajana. Vastupidi, see, et tume aine on nüüdseks omaks võetud ja kuulub loomuliku koostisosana meie astronoomilisse maailmapilti, näitab Jaani ja tema kolleegide visadust oma ideede läbisurumisel. Ei juhtunud nii, et pärast Nature artiklit oleks enamik maailma astronoome asunud otsima salapärast tumedat ainet ehk varjatud massi. Erilist tähelepanu ei pälvinud ka Einasto tulevase hea sõbra Jeremiah Ostrikeri (snd 1937) ja tema kolleegide 1974. aasta oktoobris ilmunud artikkel,8 milles meie meeste tööle juba viidatakse. Tumeda aine tunnustamiseni kulus tubli kümmekond aastat, selleks oli eriti vaja, et Ameerika astronoomid hakkaksid uut paradigmat tõsiselt võtma.

Tume aine ja kosmiline võrgustik

Esimese suurema nõupidamise tumeda aine teemal korraldas Einasto meeskond 1975. aasta algul Tallinnas, aga selle rahvusvahelisus piirdus tollase Nõukogude Liiduga. Kogu maailma galaktikauurijate ja kosmoloogide esindus kogunes siinsamas Tallinnas septembris 1977, mil toimus Rahvusvahelise Astronoomialiidu (International Astronomical Union, IAU) 79. sümpoosion. Seda tüüpi üritused on astronoomide kõige esinduslikumad teaduskonverentsid. On omamoodi ime, kuidas õnnestus sümpoosion korraldada ühe väikese liiduvabariigi pealinnas. Teist ja seni viimast korda toimus IAU sümpoosion Eestis (taas Tallinnas) alles 2014. aastal. See kandis järjekorranumbrit 308 ja oli suuresti pühendatud Jaani kauase koostööpartneri ja sõbra Jakov Zeldovitši (1914–1987) 100. sünniaastapäevale, põhiteemaks kosmiline võrgustik.

1977. aasta Tallinna sümpoosioni pealkirjas ei kajastunud tume aine, seal seisis hoopis „Universumi makrostruktuur“ („The Large Scale Structure of the Universe“). Teatud määral oli siin tegemist teadusliku korralduskomitee ettevaatlikkusega, sest tume aine ei olnud veel piisavalt küps, et IAU aktsepteeriks seda sümpoosioni temaatikana. Olulisem oli aga see, et tumeda aine otsingud olid viinud arusaamiseni, et universumis tõepoolest eksisteerib mingi korrapärane struktuur. Galaktikaparved ei ole maailmaruumi tühjuses juhuslikult laiali paisatud, vaid näivad moodustavat kette ehk ahelaid, mille vahel on suured tühikud. Einasto ja tema töörühma uus avastus hakkas ilmet võtma.

Vaatlusandmeid oli 1970. aastatel veel vähevõitu ja need piirdusid universumi mastaapidega võrdluses meie lähiümbrusega. Nii ei võetud ka ideed universumi kärgstruktuurist ehk rakustruktuurist, nagu seda nimetama hakati, kergesti omaks. Suuremaks läbimurdeks võib ehk pidada 1997. aastat, mil ajakirjas Nature ilmus Einasto ja seekord juba rahvusvahelise meeskonna artikkel.9 Selles leiti, et universumi peamisteks struktuuriüksusteks on umbes 120 megaparseki ehk ligi 400 miljoni valgusaasta tagant korduvad galaktikate superparvede ahelad ja nendevahelised tühikud. Niisiis meenutab universum kalavõrku, mis tuntud ütluse kohaselt on suur hulk niitidega kokku seotud auke. Ainult et universumi võrk on kolmemõõtmeline ning niitideks on galaktikate parvede ja superparvede ahelad. Olgu lisatud, et tüüpilisse galaktikaparve kuulub 100–1000 galaktikat, superparve aga juba tuhandeid või kümneid tuhandeid, superparve mõõtmed võivad küündida mitmesaja miljoni valgusaastani.

Meenub üks 1980. aastate alguse Tõravere astronoomiaseminar. Jaan Einasto näitas kätega umbes suurema pesukausi taolist ruumala ning seletas sinna juurde: võtame nüüd universumi ristlõike paksusega 30 megaparsekit ja läbimõõduga 150 megaparsekit … Nii loomulik tundus see temale ja küllap ka suurele osale kuulajatest, aga ühele üliõpilasele avaldas sügavat muljet, kuidas selliseid mastaape nii lihtsalt hoomatakse. Suurelt mõtlemine viib suurte tulemusteni. Tumeda aine ja kosmilise võrgustiku (cosmic web) – nii on universumi struktuuri hakatud viimasel ajal nimetama – avastamist võib pidada paradigma muutuseks kosmoloogias.

Teadusrevolutsioon ja publitseerimiskeel

Jaan Einasto on korduvalt rääkinud ja kirjutanud, kuidas ta 1970. aastate keskel, kui võitlus tumeda aine pooldajate ja vastaste vahel oli haripunktis, juhtus lugema ameerika teadusfilosoofi Thomas Samuel Kuhni (1922–1996) raamatut „The Structure of Scientific Revolutions” („Teadusrevolutsioonide struktuur“). Praegu saab siin viidata eestikeelsele väljaandele,10 aga Jaan luges originaali, mida oli tolleks ajaks ilmunud kaks trükki (1962 ja 1970, hiljem veel 1996 ja 2012). Peagi oli talle selge, et tumeda aine lugu on tüüpiline paradigma vahetus. Kosmoloogiasse, mis kulges rahuliku normaalteadusena, tungisid häirivad anomaaliad, mis ei mahtunud kehtiva paradigma raamesse. Zwicky 1930. aastate tööd jäid oma ajas liiga väikeseks hälbeks, aga siis oli asi juba tõsisem. Kahele artiklile järgnes peagi Geoffrey Burbidge’i (1925–2010) kriitika,11 aga see pigem stimuleeris probleemiga sügavamalt tegelema. Kuhni järgi algab teadusrevolutsioon siis, kui valdkonna juhtivad autoriteedid pööravad anomaaliale piisavalt tähelepanu. Järgneb võitlus uue ja vana paradigma pooldajate vahel. Algul on uue pooldajad vähemuses, kuid ajapikku nende arv kasvab, uut paradigmat hakatakse esitama monograafiates ja ülikooliõpikutes ning -loengutes. Kasvab peale uus põlvkond, kes võtab uue paradigma omaks.

Enam-vähem sama rada pidi kulges universumi struktuuri avastamise lugu. Kuhni teadusrevolutsioonide teoorias on muidugi palju nüansse, millesse siinkohal ei jõua süveneda – jutt on ju ikkagi Einastost. Tema on paradigmade vahetuses rõhutanud ka seda külge, et sageli teevad avastusi teemast veidi kõrval seisvad teadlased. Nemad ei tea, „kuidas asjad peavad olema“ ja võivad oma ebatraditsioonilise käsitusega kergemini uudsete tulemusteni jõuda. Tulemused peab aga teistele teadlastele ja üldsusele kättesaadavaks tegema. Sellega tekivad uued raskused. Tunnustatud ajakirjade toimetajad ja retsensendid ei taha normaalteadusest hälbivaid tulemusi niisama lihtsalt avaldada. Sellega pistis rinda juba Ernst Öpik ja see on väga tuttav teema ka Jaan Einastole. Eriti on ta meenutanud raskusi universumi struktuuri käsitleva artikli9 läbisurumisega.

Kui Öpik rahuldus vahel publitseerimisega kohalikes (Tartu) väljaannetes ning hiljem asutas Põhja-Iirimaal n-ö oma ajakirja, et retsensentidega mitte kembelda, siis Einasto aeg on olnud teistsugune. Jaan mõistis varakult, et artikleid Tartu observatooriumi publikatsioonides või üleliidulistes ajakirjades enamik maailma astronoome ei loe. Ennast tuleb nähtavaks teha suurtes rahvusvahelistes ajakirjades. Kui nendes avaldamise põhikriteeriumiks on teaduslik kõrgtase, siis Nõukogude inimestel lisandus veel üks raskus – artikkel pidi tsensuurist läbi pääsema. Kõigepealt pidi oma asutuse vastav komisjon koostama ekspertiisiakti, kus kinnitati, et artiklis midagi uut (s.t Nõukogude Liidu majandusele huvipakkuvat) leitud ei ole. Siis tuli ingliskeelne artikkel tõlkida eesti või vene keelde, sest tsensorid võõrkeeli ei osanud. Ärgem unustagem, et internetti ja e-kirju tollal ei tuntud. Kõik liikus paberil suurtes ümbrikes. Eriti aeglane oli see liikumine Nõukogude Liidu ja välismaa vahel, sest nn kompetentsed organid tahtsid kontrollida, mis liigub.

Kõigest hoolimata ilmus Einasto artikkel 1974. aastal ajakirjas Nature. Pärast seda on Einasto suurema osa oma töid avaldanud lääne ajakirjades ja soovitanud sama teha ka kolleegidel. Kui vaadata Jaan Einasto 67 aasta pikkust publikatsioonide rida (esimene artikkel ilmus ülikooli lõpetamise aastal 1952), tunduvad mõnevõrra sisutühjad ja tarbetud arutelud eesti- ja ingliskeelse teaduse ja kõrghariduse vastandamisest. Teadustulemused tuleb avaldada selles keeles, milles kogu maailm neid lugeda saab. Samal ajal on igal teadlasel rahvus ja emakeel, milles ta peab olema võimeline õpetama üliõpilasi ja nooremaid kolleege, kirjutama ja rääkima laiemale avalikkusele.

Astronoomide Arvo Pärt

Jaan Einasto on kõige sellega oma pika elu jooksul suurepäraselt hakkama saanud. Ta on üks väheseid eesti teadlasi, keda inimene tänavalt nimetada oskab – seda näitas ilmekalt mõni aasta tagasi Eesti Teadusagentuuris tehtud video. Astronoomide hulgas on ta samasugune Eesti tutvustaja maailmale, nagu on Arvo Pärt muusikamaailmas. Aga ta on ka Eesti kodanik, isa, vanaisa, kellele miski inimlik pole võõras – armastab moodsaid autosid, võimsaid arvuteid (Einastol oli 1980. aastal esimene Apple Nõukogude Liidus), ajakohast tehnikat (esimese CD-mängija tõi ta Saksamaalt 1985. aastal) – ning kes inimesena on aval ja siiras. Temast kunagi ei õhku mingit uhkust või enda tähtsaks pidamist.

Aga tumeda aine olemust ei tea me siiani. Jaan Einasto uskumatu vitaalsus annab lootust, et ta saab veel selle kohta midagi uut teada. Selleks talle palju tervist ja jätkuvat uudishimu!

Laurits Leedjärv on Tartu ülikooli Tartu observatooriumi vanemteadur.

1 Jaan Einasto, Cosmology Paradigm Changes. Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 2018, vol. 56, pp. 1–39.

2 Jaan Einasto, Ivan Suhhonenko, Lauri Juhan Liivamägi, Maret Einasto, Evolution of Superclusters in the Cosmic Web. Astronomy and Astrophysics, 2019, in press. https://arxiv.org/abs/1901.09378

3 Jaan Einasto, Tumeda aine lugu. Koostaja Mihkel Jõeveer. Ilmamaa, Tartu, 2006. 528 lk.

4 Jaan Einasto, Dark Matter and Cosmic Web Story. 2014. World Scientific, Singapore, 350 pp.

5 Jaan Einasto, Ants Kaasik, Enn Saar, Dynamic Evidence on Massive Coronas of Galaxies. Nature, 1974, vol. 250, Issue 5464, pp. 309–310.

6 Fritz Zwicky, Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln. Helvetica Physica Acta, 1933, Bd. 6, S. 110–127. Ingliskeelne tõlge: The Redshift of Extragalactic Nebulae, https://arxiv.org/abs/1711.01693

7 Fritz Zwicky, On the Masses of Nebulae and of Clusters of Nebulae. Astrophysical Journal, 1937, vol. 86, No. 3, pp. 217–246.

8 Jeremiah P. Ostriker, James P. E. Peebles, Amos Yahil, The Size and Mass of Galaxies, and the Mass of the Universe. Astrophysical Journal, 1974, vol. 193, pt. 2, pp. L1–L4.

9 Jaan Einasto, Maret Einasto, Stefan Gottlöber, Volker Müller, Veikko Saar, Aleksei A. Starobinsky, Erik Tago, Douglas Tucker, Heinz Andernach, Patrick Frisch, A 120-Mpc Periodicity in the Three-dimensional Distribution of Galaxy Superclusters. Nature, 1997, vol. 385, Issue 6612, pp. 139–141.

10 Thomas S. Kuhn, Teadusrevolutsioonide struktuur. Tõlkinud Ruth Lias. 2003. Ilmamaa, Tartu, 312 lk.

11 Geoffrey R. Burbidge, On the Masses and Relative Velocities of Galaxies. Astrophysical Journal, 1975, vol. 196, pt. 2, pp. L7–L10.

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
Müürileht