Kas astronoomilised mõõtmised nõuavad uut seletust tumeenergia kohta?

Füüsikud, täpsemalt kosmoloogid, on viimastel kuudel olnud ärevil. Põhjus on Ühendriikide teleskoobi-instrumendi DESI uued astronoomilised mõõtmisandmed. Need justkui viitavad, et suureskaalaline universum meie ümber on viimase miljardi aasta jooksul käitunud oodatust hoopis erinevalt.

Kui Albert Einstein esitas 1918. aastal üldrelatiivsusteooria, mis kirjeldab, kuidas aine mõjub aegruumile ja aegruum ainele, hakkasid tema ja teised füüsikud selle abil kohe uurima universumi käitumist. Nad teadsid, et universumis on üsna ühtlaselt laiali üksteisest kaugel asuvad galaktikad. Arvutustest nähtus, et selline universum ei saa olla muutumatu, vaid peab kas paisuma või kokku tõmbuma. Juba 1930. aastatel leidiski Ameerika astronoom Edwin Hubble kaugete galaktikate vaatluste põhjal, et universum tõepoolest paisub.

Kuid Einsteini esialgne unistus oli hoopis muutumatu universum. Selleks kirjutas ta oma võrrandisse nn kosmoloogilise konstandi. Ta lootis, et see võimaldab kõrvaldada ainetolmuga täidetud kosmose ebastabiilsuse. Teised füüsikud aga näitasid peagi, et sellise konstandi mõju on palju hullem: see paneb universumi paisuma või kokku tõmbuma koguni kiirenevalt! Einstein hakkas kosmoloogilise konstandi pakkumist pidama oma suurimaks veaks.

Ajapikku muutusid taevavaatlused täpsemaks. 1970. aastateks sai selgeks, et nähtavat ainet on ligikaudu kümme korda vähem, kui nähakse vaatlustes. Eesti teadlased Jaan Einasto ja Enn Saar olid esimeste füüsikute seas, kes tegid selgeks, et universumis ja galaktikates peab tavalisele ainele lisaks olema mingi tumeaine.

Ent midagi oli bilansist veel puudu. 1990. aastate lõpus hakkas täpsemate astronoomiliste mõõtmiste toel välja kooruma, et nähtav universum paisub kiirenevalt – „Einsteini suurim viga“ ehk kosmoloogiline konstant võttis sisse aukoha vaatlusandmete seletamises ühe olulise uue parameetrina. Hüpoteetilist ollust, mis põhjustab universumi kiirenevat paisumist, hakati kutsuma tumeenergiaks. Nii et tegelikult tegi Einstein vea hoopis kosmoloogilist konstanti enneaegu maha kandes.

Panete tähele – kasutame nimetust «kosmoloogiline konstant». See viitab, et see konstant on ajas muutumatu suurus. Füüsikud poleks füüsikud, kui mõni neist ei oleks spekuleerinud, et see konstant võib ehk hoopis ajas muutuda. Tumeenergia lähem olemus on ju siiani teadmata. Ajas muutuva tumeenergia peal on kätt proovinud paljud (muu hulgas selle kirjutise autoridki). Ent selleks, et määrata kõnealuse energia muutumist ajas, tuleb teha üpris täpseid astrofüüsikalisi mõõtmisi.

Mida kaugemale me vaatame, seda kaugemast minevikust tulnud valgust näeme. Nii saab vaadata ajas tagasi ja mõõta mitte ainult praegust universumi paisumist, vaid ka selle ajalugu. Ruumi paisudes venib valguslaine välja ja tema lainepikkus nihkub spektris punase värvuse poole. Kauge galaktika valguse punanihke järgi määratakse, kas universum paisus minevikus kiiremini või aeglasemalt – kas tumeenergia on praegu tugevam või nõrgem, kui oli varajases universumis. Selle järgi võivad teadlased ära arvata, mis laadi tumeenergiaga on tegemist.

Et mõõta universumi paisumise kiiruse muutusi, peavad astronoomid mõõtma kosmiliste objektide kaugusi. Teades, kui kaugelt näiteks täheplahvatuse valgus saabub, teame, millal täht supernoovana plahvatas, ning valguse punanihe ütleb, kui kiiresti universum siis paisus. Supernoovaplahvatused on väga heledad ja neid on kaugelt näha. Nimelt Ia-tüüpi supernoovade kohta on kindlaks tehtud, kuidas on seotud nende heledus ja see, kui kiiresti nad pärast plahvatamist tuhmuvad. Selle järgi, kui palju nende näiv heledus on nõrgem, saamegi kindlaks teha kauguse. Supernoovade abil saame mõõta suhteliselt hiljutist universumi paisumist.

Uue võimaluse mõõta mõnevõrra kaugemaid kaugusi pakub tumeenergia spektroskoopiline instrument ehk lühidalt DESI, Californias Mayalli teleskoobi küljes olev suur spektrograaf. Et suunata spektrograafi õigete galaktikate valgus, kulub omajagu vaeva. DESI eelkäijas BOSS-is kasutati selleks alumiiniumplaate. Igasse plaati puuriti galaktikate asukohti arvestades tuhat auku, millesse torgati käsitsi valgust püüdvad klaaskiud. Nii läks taeva kaardistamine õige vaevaliselt. DESI-s püüavad galaktikate valgust 5000 robotjuhitavat klaaskiudu, mille suunab õigesse asendisse arvuti.

Mayalli teleskoop ja DESI spektroskoop. Foto: DESI

Esimese mõõtmisaasta järel on DESI koostanud universumist maailma suurima kolmemõõtmelise kaardi, millele on kantud 700 000 galaktikat ja kvasarit. Viie aastaga kaardistab DESI umbes 37 miljonit galaktikat ja 3 miljonit kvasarit, kattes 11 miljardit aastat universumi ajalugu.

Supernoovade asemel kasutab DESI kauguse mõõtmiseks ürgses plasmas levinud helilainete jälgi. Varajane universum oli kuum plasma, mis ei lasknud valgust läbi. Kui juhuslikult tekkis plasmas tihedam klomp, hakkas gravitatsioon seda kokku tõmbama, aine kuumenes ja sellest levisid väljapoole helilained, omamoodi mullid, milles aine ja valgus liikusid koos. Kui universum jahtus ja valgusele läbipaistvaks muutus, pani valgus mullidest plehku. Helimullid aga «külmusid» paigal. Kuna mulliseinad olid tihedamad kui ümbritsev aine, hakkasid just seal tekkima galaktikad. Tänapäeval saame nende galaktikate asukohtade järgi leida üles algsed helimullid. Kuna need mullid on keskeltläbi kõik ühesuurused, saab selle järgi, kui suur mull paistab, teha hästi kindlaks selle kauguse. Nii on helimullid DESI astronoomidele universumi paisumist mõõtes tollipulgaks. Nende uued tulemused aitavad näha, kas tumeenergia muutub või mitte.

Foto: Horisont

Seniste andmetega on väga heas kooskõlas olnud oletus, et tumeenergia on kosmoloogiline konstant. DESI tulemus üksinda sellega vastuolus ei ole. Kui DESI andmeid kombineerida ligema aja universumi paisumise mõõtmistega supernoovade abil, näib aga, et tumeenergia osakaal kosmoses võis suhteliselt hiljuti väheneda. Nii võib juhtuda näiteks siis, kui tumeenergia võiks osaliselt muutuda tumeaineks. Kuid võib-olla pole andmete selgitamiseks üldse vaja arvata, et tumeenergia muutub. Võimalikud muutused pidid toimuma nii hilisel ajal, et kosmilises mõttes jääb meid ümbritsev piirkond, kust selle aja valgus tuleb, suhteliselt väikeseks. Tegu võib olla lihtsalt juhuslike kõikumistega või me ei saa supernoovadest piisavalt hästi aru.

DESI tulemused on muidugi esialgsed. Lähiajal on oodata DESI kolme aasta andmete vaatlustulemusi ja samuti tumeenergiat mõõtva Euclidi eksperimendi tulemusi. Kui DESI on teinud mõõtmisi maistes oludes, siis Euclid teeb oma mõõtmised kosmosest, kus segavaid mõjusid on tunduvalt vähem. Loodame, et see eksperiment annab täpsema vastuse, kas universumi kiirenev paisumine tõesti muutub ja kuidas see muutub. Aga seda võib tõdeda, et füüsikaline kosmoloogia on tõepoolest muutunud täppisteaduseks.

Andi Hektor (1975) on ettevõtte GScan OÜ strateegiajuht ning keemilise ja bioloogilise füüsika instituudi vanemteadur, kelle tegevuse põhisuund on müüon-tomograafia rakendused.

Kristjan Kannike (1978) on keemilise ja bioloogilise füüsika instituudi vanemteadur, kelle teadustöö põhi-suunad on osakestefüüsika, kosmoloogia ja varajase universumi füüsika.

Artikkel on ilmunud ajakirja Horisont augusti-septembri numbris.