Astronoomialoengud. Tõnu Viik
paisumist kinnitasid, tehti Naissaare mehe Bernhard Voldemar Schmidti leiutatud optilise süstee-miga varustatud teleskoobiga ehk nagu seda nimetatakse – 48-tollise Schmidtiga.
11
Mõõdetud punanihked ja vastav kaugenemiskiirus koos galaktikate kauguste määramisega annab meile pai-sumisajaks 13,772 miljardit aastat (ehk giga-aastat, Gy) või-maliku veaga 59 miljonit aastat. See aeg võib paista pikana, kuid arvamus muutub, kui võtta kätte väga vana kivitükk Gröönimaal ja mõelda, et selle vanus on peaaegu kolman-dik Universumi vanusest!
Paisuv Universum mõjutab mitmel viisil meie mõtlemist. Näiteks fakt, et kõik galaktikad kaugenevad meist, paneb arvama, et Suur Pauk toimus siinsamas. See arvamus on vale, sest paisub tegelikult ruum, vedades kõik endaga kaasa, nagu rosinaid pärmitaignas. Seega siis ka galaktikaid. Univer-sumis pole olemas ühtki eelistatud ega absoluutset punkti. Maa pole Universumi tsentris, sest sellist tsentrit polegi ole-mas. Meie mõtlemine on õigustamatult egotsentriline.
Kuigi Suur Pauk seletas Universumi tekke kenasti ära, jäid mitmed küsimused siiski vastamata. Kuidas ikka Uni-versumi suuremastaabiline struktuur tekkis? Miks Univer-sum paistab meile igas suunas ühesugune? Miks kosmiline taustkiirgus on enam-vähem ühtlaselt jaotunud ja miks Universum on tasane? Miks pole kunagi ühtki magnetilist monopoli avastatud? Ja palju muud. Nendele küsimustele vastamiseks mõtles Cornelli ülikooli füüsik Alan Guth välja inflatsiooniteooria, mille mõte on selles, et Universum pai-sus eksponentsiaalselt kiiresti ajavahemikul 10-35 sekundit kuni 10-32 sekundit pärast Suurt Pauku. Praegu vaadelda-vale universumile vastav piirkond pidi sealjuures teooria kohaselt paisuma prootoni diameetrist palju väiksemalt diameetrilt umbes Kreeka pähkli läbimõõduni. Selline
12
plahvatuslik laienemine lahendas kõik eespool loetletud probleemid ja seepärast on praegu väga vähe kosmolooge, kes selle inflatsiooniga rahul pole. Siiski ei tea me siiani, miks inflatsioon toimus, ja füüsika ei ole võimeline seda praegu seletama.
Evolutsioon Universumis
Praegu käib ikka veel kõva vaidlus kreatsionistide ja evo-lutsionistide vahel. Kas Jumal lõi maailma, nagu me seda praegu näeme? Kas hiiglaslikud rändrahnud Põhja-Eestis on Jumala kätetöö või tõi need siia jää? Kas kivistised anna-vad aimu elu evolutsioonist või pani Jumal rahnud sisal-dama kivistisi? Kuigi evolutsionistidel oli sageli õigus, ei suutnud nad vastata, millal evolutsioon algas.
Evolutsiooni alguspunkt sai selgeks alles siis, kui avas-tati Suur Pauk. Alguses kujuteldamatult väikese sekundi murdosa jooksul pärast Suurt Pauku oli Universum mõõt-matult kuum ja selles polnud midagi peale üüratult kon-denseeritud energia. Kuna see paisus ja jahtus, siis energia transformeerus aineks, alguses eksootilisteks lühiealis-teks osakesteks, siis umbes 1/10 000 sekundi pärast proo-toniteks ja neutroniteks, st selliseks aineks, mida praegu tunneme. Selleks ajaks oli temperatuur langenud 1012 kel-vini lähedale ja tihedus kahanenud umbes ühe miljardi tonnini sõrmkübaras.
Aine tekkimine pole lihtne asi. Kui energiast tekitatakse ainet nagu CERNi kiirendis, siis tekib alati samas koguses
13
ainet ja antiainet. Niipea kui need kaks kokku saavad, nad kaovad, jättes järele vaid energia gammakvantide näol. Jääb mulje, et kõik on tasakaalus ja Universum ei saagi sellist ainet tekitada, mis kestma jääks. Siiski, üks väga väike asi on tasakaalust väljas aine kasuks. Värskelt tekkinud aine ülekaal antiainest on 1/(2 × 109) kohta, seega iga kahe mil-jardi osakese kohta „jääb ellu“ üks osake. Ülejäänud aine annihileerub ja ainult tühine osa jääb alles ning see moo-dustabki tänapäevase aine. Seda mittetasakaalu nimeta-takse sümmeetria rikkumiseks, millest pole siiani täiesti aru saadud. Ja ometi on see aluseks meile tuntud Univer-sumi olemasolule.
Sada sekundit pärast Suurt Pauku oli temperatuur lan-genud ühe miljardi kelvinini ja nüüd said neutronid ja prootonid moodustada kõige lihtsamaid elemente – deu-teeriumi ja heeliumi ning õige pisut liitiumi. Enamik proo-toneid jäi sõltumatuks ega rekombineerunud vesiniku aatomiteks. Alles hiljem, kui Suurest Paugust oli möödas 379 000 aastat, oli temperatuur nii palju langenud, et tek-kisid vesiniku aatomid. Teooria väidab, et 24% kogu ainest peab olema heelium. Suure Paugu triumf on see, et me pole kunagi leidnud mitte ühtki ainekogumit Linnutees ega teistes galaktikates, kus oleks vähem heeliumi, kui teoo-ria ütleb. Ka deuteeriumi ja liitiumi esineb täpselt teooria järgi. Elemendid ainekogumites pole kuigi palju keemili-selt segunenud ja seepärast see koostis peegeldabki ürgset keemilist koostist. Kergete elementide hulga tähtsusest kosmoloogias said kõigepealt aru Berni teadlased. Kergete elementide ürgne nukleosüntees tõstatab fundamentaalse
14
küsimuse. Miks mitte kogu aine ei transformeerunud heeliumiks? Sellisel juhul oleks kogu hilisemate tähtede kütus olnud ammu kulutatud (sest termotuumareaktsioo-nid muudavad tähe tuumas vesiniku heeliumiks). Taevas oleks olnud pime ja elu poleks olnud võimalik. Põhjus, et enamik vesinikku (prootonid) jäi alles, seisneb selles, et neutron on prootonist 0,14% massiivsem. Seega neutroni tegemiseks läheb vaja rohkem energiat ja neid ongi vähem. Kui kõik neutronid olid heeliumisse ära kulutatud, siis heeliumi tegemine lõppes. Jälle peame nentima, et elu on rippunud juuksekarva otsas, st selle imepisikese massi-vahe peal.
Oma varajases faasis oli Universum väga lihtne – ta oli termodünaamilises tasakaalus. See tähendab, et igal pool oli kõik samasugune. Kogu Universumit oleks saanud kir-jeldada mõne arvuga. Oleks võinud arvata, et paisuv Uni-versum oleks lihtsalt jahtunud ja hõrenenud. Ja mitte midagi huvitavat polekski juhtunud.
Kuid läks teisiti. Universum tekitas struktuurid. Need olid regioonid, kus ainet oli rohkem kui mujal. Nende tihe-damates kohtades haaras gravitatsioon võimu ja aeglustas seal lokaalselt paisumist ning mõnes kohas muutus paisu-mine hoopis kokkutõmbumiseks. Tekkisid gigantsed vesi-niku (ja heeliumi) pilved, mis lagunesid paljudeks väikse-mateks, kuid ikkagi kokkutõmbuvateks pilvedeks. Nendest said tänapäevased galaktikad. Kokkutõmbumise käigus hakkasid nad pöörlema ja see pöörlemine päästis nad täie-likust kollapsist. Kuid individuaalsed pilvekesed, siiski sisaldades ainet tuhandetes Päikese massides, jätkasid
15
kontrakteerumist, moodustades tähed. Tähtede tekkimine käib veel praegugi. Uued tähed tekivad ja vanad kaovad pidevalt, kuni kogu gaas on ära kulutatud. Mõnes galak-tikas ongi gaas otsa saanud, meie Galaktikas on seda veel küll ja tähti võib palju juurde tekkida.
Väikese massiga tähed surevad nn valgete kääbustena, kui nad on muutnud kogu vesiniku heeliumiks. Suurema massiga tähed võivad hakata „põletama“ heeliumit süsi-nikuks, hapnikuks ja teisteks raskemateks elementideks, kuid ainult kuni rauani. Rauast alates termotuumaprotsess ikka veel töötab, kuid siis me peame selle toimimiseks energiat juurde andma. Seega veel raskemaid elemente nende tähtede sees ei teki. Need tekivad kõige suure-mate massidega tähtede plahvatamisel supernoovadena. On imelik mõelda, et kuld naiste kaelaehetes on saadud supernoova plahvatusel.
Ja siiski on kõik keemilised elemendid Universumis – seega ka Maa peal – tekkinud tähtedes. Kui tähed sure-vad, siis heidavad nad osa oma massi maailmaruumi, kas siis rahulikult nagu planetaarsetes ududes või vägivald-selt, kui nad plahvatavad supernoovana. Sel viisil rikas-tatakse interstellaarset keskkonda keemiliste elementi-dega. Nii et uued tähed on juba „saastatud“ raskemate elementidega. Kui meie Päikesesüsteem 4,6 giga-aastat tagasi tekkis, siis olid kõik 92 elementi juba olemas. See oli võimalik seetõttu, et kõige massiivsemad tähed, mis on kõige produktiivsemad elemente tekitama, elavad lühikest aega ja enamik raskeid elemente oli juba tehtud selleks ajaks, kui Päikesesüsteem tekkima hakkas. Seega
16
oli elementide rikkalikkus võimalik vaid seetõttu, et eel-mine tähtede põlvkond oli tekitanud kõik elemendid, välja arvatud ürgne vesinik ja heelium. Meie oleme täh-tede ainest tehtud.
Kõige segasem punkt selles loos on see, et struktuuride teke (galaktikad ja tähed) käis nii ilmatu kiiresti. Vanimad tähed meie Galaktikas on 12 Gy vanad, st nad tekkisid esi-mese kahe giga-aasta jooksul pärast Suurt Pauku. Arvutiga tehtud Universumi mudelid ei suuda struktuure