50 aastat tumeainet

Ajakirjas Physics Today ilmus põhjalik artikkel Eesti ja Ameerika teadlaste 1970. aastatel alanud tumeaine uuringutest. 
 

Artiklis  „Five decades of missing matter“ käsitletakse muuhulgas 50 aastat tagasi ajakirja Nature veergudel avaldatud Jaan Einasto, Enn Saare ja Ants Kaasiku murrangulist teadustööd, mis muutis oluliselt astronoomilist maailmapilti. 

1970. aastateks oli kogunenud hulk vaatlusi, mis vihjasid, et universumi nähtava massi bilansiga ei ole kõik päris korras. Neist tuntumad on Fritz Zwicky tähelepanek 1930-st, et galaktikate omakiirused galaktikaparvedes on liiga suured, ning Vera Rubini mõõtmised dekaadi alguses, mis näitasid, et galaktikad ise pöörlevad samuti liiga kiiresti. Mõlemal juhul ei piisa nähtava aine massist, et süsteeme stabiilselt koos hoida. Aastal 1974 ilmusid kaks sõltumatult kaks artiklit, üks Eesti ja teine Ameerika teadlaste poolt, mis püüdsid esimest korda teoreetiliselt süstemaatilisel alusel eelpooltoodud vastuolulisi vaatlusi selgitada.

Jaan Einasto märkas, et ükskõik, kuidas ta galaktikate nähtavaid tähepopulatsioone kokku liidab, ei saa ta piisavalt massi, et vaadeldud kiirusega pöörlevad galaktikad oleksid tasakaalulises olekus. Tema kolleeg Tõraveres, Enn Saar, pakkus, et lahenduseks võiks olla seniarvatust palju kaugemale ulatuv "tundmatu" aine jaotus galaktikates. Ei ole mingit põhjust, miks galaktikad peaksid järsult lõppema seal, kus lõpeb nähtav tähtede ketas. Kokkuvõttes oli vaja vähemalt 10 korda rohkem massi ning arvutused näitasid, et lisatav aine selgitab ka galaktikate liikumist paarides ja väikestes gruppides.

Ameerika teadlaste töö teisel pool maakera William Ostrikeri juhtimisel viis sarnasele järeldusele, et nii galaktikad kui galaktikate parved peavad olema palju massiivsemad ja ulatuma vaadeldust palju kaugememale. Ka nende hinnang oli, et galaktikad peaksid olema 10 korda massiivsemad. Töös kasutades sealhulgas esmakordselt ka galaktikaparvede arvutisimulatsioone. Hüpotees nähtamatust ainest oli väga uudne ja tänapäevase arusaamani, et universum püsib oma praegusel kujul koos suuresti tänu tumeainele, kulus veel aastaid tööd ja erinevaid vaatlusi.

Artikli autor Jaco de Swart intervjueeris materjale kokku pannes Eestis Jaan Einastot ja Enn Saart ning samuti William Ostrikerit, James Peebles'it ja teisi astronoome Ameerika Ühendriikides.

Image

Fotol on Jaan Einasto 1974. aastal Põhja-Kaukaasias toimunud astrofüüsika talvekoolis, kus tutvustas hüpoteesi galaktikaid ümbritsevast nähtamatu aine kroonist.

Tartu Ülkooli astrofüüsika professor Peeter Tenjes mõtiskles äsjailmunud artikli üle.

„Vihjeid, et galaktikate ja galaktikate koosluste (parvede) massidega on midagi korrast ära, oli juba varemgi. Kuid need varasemad uurijad (nt Fritz Zwicky) arvasid, et asi on masside arvutamise meetodis. 

Mõlemad Physics Today artiklis kirjeldatud töörühmad (Eesti ja USA omad) tõdesid aga, et tegemist on fundamentaalse vastuoluga. Meie arusaam universumi koostisest peab muutuma. Lisaks nähtavatele tähtedele on universumis palju kordi rohkem ka veel midagi, mida me ei näe. Universumi koostise muutus tähendas, et ka universumi arengut (nii minevikku kui ka tulevikku) tuleb hakata vaatama teisiti. Lisaks muudavad need teadmised meie arusaama galaktikate ehitusest ja arengust. 

Viidatud 1974. aasta töödes arvati veel, et tumeaine on küll spetsiifiline, kuid olemuslikult siiski tavaline aine (gaas ja väga väikese heledusega tähed). Teadus on aga pidevalt arenev protsess. 1980. aastate alguses tulid andmed, et tumeaine ei saa olla tavaline aine. Nimelt mõõdeti satelliitide abil ära deuteeriumi ja liitiumi kogused universumis. See andis piiri, kui palju tavalist ainet (nn barüonainet) universumis üleüldse kokku saab olla. Osutus, et vajaliku tumeaine kogus peab olema mitu korda suurem. Muide, Tartu teadlastel sai see muudele kaalutlustele tuginedes selgeks mitu aastat varem, kui vastaval USA rühmal. See, et tumeaine ei ole tavaline aine, on nüüd üsna üldiselt aktsepteeritud. Kui tumeaine on mingid uued elementaarosakesed, siis muudab see ka standardset osakeste füüsika teooriat, sest sinna tumeaine osakesed ei mahu. Ehk siis meie teadaolev füüsika vajab täiendamist.

Mis sellest meie enda jaoks järeldub? Esiteks, meie arusaam maailmast on muutunud ja see iseenesest on juba oluline. Kuid teiseks - kogu füüsika senine pikaajaline areng on näidanud, et olulised avastused rakendatakse varem või hiljem ellu. Mõnikord võib see võtta kaua aega, kuid seni on see peaaegu alati lõpuks juhtunud. Küllap on see nii ka tumeaine ja osakestefüüsikaga edasiarendustega.“

Image

Loe lisaks Jaan Einasto raamatu „Dark Matter and Cosmic Web Story“ veebilehelt.