Arko Olesk: jäljed ilmaruumi lainetusest

Lõunanabal asuv raadioteleskoop (pildil) tõi tõestuse arusaamale, et sünni järel paisus universum ülikiiresti ning läbi selle voogasid gravitatsioonilised lained. Lisaks kumab horisondil kauaotsitud kõikehõlmav füüsikateooria. Foto: AFP/SCANPIX

Füüsikud ei ole olnud tagasihoidlikud. Aasta, kui mitte aastakümne kõige olulisem teadusavastus, erakordne saavutus, kindel Nobeli preemia – selliste sõnadega iseloomustavad nad uudist, millega tuli esmaspäeval välja raadioteleskoobi BICEP2 meeskond. Teleskoobiandmeist välja loetud Suure Paugu kaja annab meile võimaluse senisest palju põhjalikumalt uurida, kuidas kõik – tõepoolest kõik! – alguse sai.

Teaduskeeles väljendatuna tuvastasid teadlased kosmilise reliktkiirguse B-mood-polarisatsiooni. Selle nähtuse kindlaks tegemisega lõid nad kolm kärbest ühe hoobiga: andsid kõige käegakatsutavama tõendi Albert Einsteini peaaegu sada aastat tagasi ennustatud gravitatsioonilainetele, mõne aastakümne tagusele universumi inflatsioonilise paisumise teooriale ning lõid võimaluse tuua ühe teooriakatuse alla kõik looduse neli fundamentaaljõudu. Leida tõestus kõigile kolmele arusaamale on pikka aega olnud füüsikute peamiste eesmärkide seas, kuna need selgitavad olemise alustalasid.

Seda, mis oli kõige alguses, me ei tea. Ei tea sedagi, kas teooriate küllusest hoolimata saamegi kunagi teada, sest pole enam kusagilt kinni haarata, millega mõtteid tõendada. Kõige algus kuulub hoomamatusse, kus isegi sõnal «enne» pole sisu, sest see on seotud ajaga, mis sündis alles koos universumiga. Valdava kosmoloogilise mudeli järgi – mida tunneme Suure Paugu nime all – oli universum sündides lõputult tihe ja kuum.

Ent tänu värskele avastusele mõistame nüüd paremini seda, mis juhtus sekundi murdosa pärast kõige algust. Murdosa all tuleb siinkohal mõista samuti hoomamatult tillukest ajahetke – 10-36 sekundit. See oli 13,8 miljardi aasta eest.

Teame, et universum hakkas paisuma. Paisus, kuni jahtus piisavalt, et energia sai hakata võtma ainelist kuju elementaarosakestena, mis moodustasid kvantsupi. Sadade tuhandete, miljonite ja miljardite aastate jooksul tekkisid tähed, galaktikad, planeedid, elu. Kuidas, seda mõistame juba üsna hästi. Ent looriga on varjutatud olnud just esimene kasvuiga.

Vahend, mille abil universumi ajalugu uurida saame, on kiirgus. Näiteks supernoovade valguse uurimine näitas, et universum jätkab paisumist aina kiiremini, mis sundis seletamiseks välja mõtlema nähtuse nimetusega tumeenergia. Pea kõik, mida me universumi ajaloo ja olemuse kohta teame, on saadud tänu ilmaruumis levivate kiirguste mõõtmisele ja uurimisele.

Häda on selles, et kiirgus pääses universumis valla alles siis, kui see oli jõudnud paisuda ja jahtuda 380 000 aastat. See algne kiirgus kajab senimaani kõikjal universumis ja on tuntud kosmilise reliktkiirguse nime all. Kui krutime raadio või teleri kanalitevahelisele alale, siis osa sahinast ongi Suure Paugu kaja. Reliktkiirguse juhuslik avastamine 1964. aastal tõi USA raadioastronoomidele Arno Penziasele ja Robert Wilsonile Nobeli preemia.

Seda kiirgust uurides sattusid kosmoloogid aga uue probleemi ette. Ilmaruum paistis igast otsast üsna ühetaoline. Arvestades aga, et kvantsupi olekus universum pidi pulbitsema ja mulksuma, peaks erinevused selle osades olema tunduvalt märgatavamad. Vastuolu lepitamiseks pakkusidki teadlased eesotsas Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi füüsikateoreetiku Alan Guthiga 1980. aastal välja inflatsiooniteooria.

Selle järgi paisus universum sünni järel eksponentsiaalse kiirusega, kasvades hetkega sub­atomaarsest suurusest jalgpalli mõõtu, jätkates paisumist seejärel juba pisut aeglasemas tempos. Selle abil sai seletada mitmeid universumi omadusi, kuid siiski oli tegu vaid hüpoteesiga.

Tõestuse otsimisel tuli appi Albert Einstein. Tema erirelatiivsusteooria, mis lõi pildi universumist kui aegruumist, ennustas muu hulgas, et suure massiga objektid suudavad ruumi (ja aega) painutada. Enam veel, sellised deformatsioonid võivad levida, just nagu kivi vette viskamisel tekkivad ringlained.

Einstein hoiatas, et need gravitatsioonilained on äärmiselt nõrgad. Tõsi on, et kuigi on korraldatud spetsiaalseid eksperimente, mis mõõdavad pidevalt kahe punkti omavahelist kaugust, ning peaks tajuma, kui see laine läbiliikumise tõttu hetkeks muutub, ei ole suudetud gravitatsioonilaineid otse tuvastada.

Tänapäeva universumis võib laineid tekitada näiteks suurte mustade aukude ühinemine. Ent teooria järgi tekkisid lained kindlasti ajaloo kõige võimsama sündmuse – Suure Paugu – ja sellele järgnenud inflatsioonilise paisumise käigus.

Jälg neist lainetest pidi jääma ka algsesse kiirgusse. Teadlased rehkendasidki välja, millisel kujul: B-mood-polarisatsioonina ehk kiirguse kindlat laadi väändena.

Võidujooksus, milline teleskoop selle signaali esimesena tuvastab, ületas finišijoone esimesena lõunapoolusel asuv raadioteleskoop BICEP2. Sealses raadiovaatlusteks sobivas kuivas ja hõredas õhus mõõtis teleskoop väikese taevalaotuse osa reliktkiirguse polarisatsiooni ning leidiski oodatud signaali. Pärast kolmeaastast kontrollimist võisid nad sel nädalal kindlusega öelda, et on leidnud jälje, mis kinnitab nii inflatsiooni kui ka gravitatsioonilainete olemasolu.

«Kosmiline reliktkiirgus on hetkülesvõte universumist 380 000 aastat pärast Suurt Pauku, kui kiirgus esimest korda vabalt liikuma pääses,» selgitas ajakirjale Nature raadioteleskoobi BICEP2 töörühma juht John Kovac, «kuid gravitatsioonilaine signaal jättis reliktkiirgusse jälje sekundi murdosal pärast universumi sündi.»

Kiirguse polarisatsiooni mõõtes saab lisaks infot universumi inflatsioonilise paisumise kiiruse kohta, mis omakorda lubab välja arvutada tolleaegse temperatuuri. Teisisõnu: avab võimaluse uurida kosmose sünni lugu uut moodi. Aasta lõpuks peaks oma mõõtmistulemustega välja tulema reliktkiirgust kaardistav Euroopa kosmosesond Planck. Võib eeldada, et nüüd, kui signaal on kinnitust leidnud, asuvad reliktkiirguse polarisatsiooni uurima paljud maised ja kosmilised teleskoobid.

Lisaks avab gravitatsioonilainete olemasolu inflatsioonis füüsikateoreetikutele veel ühe ahvatleva ja kauaoodatud võimaluse: siduda üheks kõik looduses esinevad fundamentaaljõud. Kolme neist jõududest – tugev ja nõrk vastasmõju ning elektromagnetjõud – saab kirjeldada kvantfüüsika raamides ja seeläbi omavahel ühenduses. Ent ka Einstein ei suutnud sellesse mudelisse hõlmata gravitatsiooni.

«See on esimene kvant­gravitatsiooni eksperimentaalne tõestus,» märkis kosmoloog Max Tegmark Nature’ile. Kuna inflatsioon on kvantnähtus, viitab selles keskkonnas gravitatsioonilainete tekkimine, et ka raskusjõu, nagu kõigi teiste fundamentaaljõudude alus on kvantfüüsikas.

«Inflatsioon eeldab, et kõik sai alguse kvantfluktuatsioonidena, mida inflatsioon hiljem võimendas,» selgitab Kovac. «See leid toetub väga sügaval tasandil sellele, et seos kvantmehaanika ja gravitatsiooni vahel on olemas.»