Tõeline tähesõda: kaose ja korra vahel

UNIVERSUM - Tõeline tähesõda: kaose ja korra vahel
JAAN EINASTO

¹M. Jõeveer, Jaan Einasto. Nähtamatu jahil. "Horisont" nr. 4 1975;
J. Jaaniste. Kui palju kaalub Universum? "Horisont" nr. 4 1981.

Esimene arvamus — juhus

Galaktikad (nende hulgas ka meie Galaktika ehk Linnutee ja suur Andromeeda galaktika) koonduvad mitmesuguse rikkusega parvedesse ja rühmadesse. Viimased pole kaugeltki nii korrapärased kui galaktikad ise. Veelgi suuremate galaktikasüsteemide paigutus paistab juba üsna korrapäratuna. See järeldus tugineb ulatuslikel galaktika loenditel, mida alates 1930ndatest aastatest on tehtud paljudes observatooriumides. Selline vaade — korrapära väiksemates süsteemides ja juhuslik paigutus suuremates — on praegu astronoomide seas üldiselt levinud.

Galaktikad ja galaktikasüsteemid tekivad tihedushäiritustest, mis said alguse juba Universumi arengu varajasel staadiumil juhuslikest hälvetest. Arengu käigus häiritused kasvavad, kuna tänu külgetõmbele aine koguneb aina rohkem tihedatesse piirkondadesse ning hõredamad alad jäävad üha hõredamaks. Kuna alghäiritused olid juhuslikud, siis peaks sellise arengu korral tekkinud tähesüsteemide jaotus olema samuti juhuslik.

Korrapära piir kaugeneb

Ometi on uurimised näidanud, et see seisukoht vajab revideerimist. Juba1970. aastate lõpul sai selgeks, et galaktikate jaotus pole päris juhuslik. Nimelt selgus, et galaktikad koonduvad mitte ainult parvedesse, vaid ka superparvedesse, moodustades seal pikki niitjaid kette ja ahelaid. Vahepealne ruum paistab olevat päris tühi. Kogu jaotus meenutab suuri rakke, kus superparved ning neid moodustavad galaktikate ahelad paigutuvad rakkude nurkades ja servades. Rakkude sees leidub ka galaktikate ahelikke, kuid need on hõredamad kui superparvedes. Sellise jaotuse olemasolu näitasid esmakordselt Tartu astronoomid 1977. aastal Tallinnas toimunud rahvusvahelisel konverentsil, mis oli pühendatud Universumi ehituse uurimisele suurtel skaaladel². Üsna varsti leidsid meie tulemused kinnitust ka teiste uurijate poolt. Juhuslik paistis aga esialgsete andmete põhjal olevat rakkude ja neid moodustavate superparvede endi jaotus. Seega nihkus piir, kust algas Universumi kaootiline ehitus, tükk maad suurematele kaugustele kui varem arvati.

Viimaste aastate uurimused viitavad sellele, et seda piiri tuleb nihutada veelgi kaugemale. Nimelt on selgunud, et ka superparvede endi jaoutus pole päris juhuslik. Esimene tõend selle kohta tuli Ameerika Ühendriikide ja Inglise uurimisrühmalt, kes avaldasid 1990 ajakirjas "Nature" töö, kus nad analüüsisid galaktikate jaotust kahes kitsas alas Galaktika põhja- ja lõunapooluse lähedal. Nad mõõtsid seal galaktikate kaugused küllalt nõrkade tähesuurusteni, mis võimaldas määrata galaktikate jaotuse kuni umbes 500 megaparsekini (1 parsek=3,26 valgusaastat) mõlema pooluse suunas. Niisiis kokku ligi tuhande megaparseki ulatuses (see on ligi kümnendik kogu vaatlustele kättesaadava Universumi läbimõõdust). Selgus, et galaktikate jaotus on perioodiline: praktiliselt tühjad alad vahelduvad tihedatega. Sellise jaotuse periood on umbes 130 megaparsekit (kaugused vastavad maailma paisumiskiirust iseloomustavale Hubble’i parameetrile 100 km/s megaparseki kohta). Enamik astronoome tõlgendas tulemust kui viidet, et galaktikad moodustavad meie ümber kontsentrilisi sfäärilisi kihte. Säärase tõlgenduse kohaselt asume meie Universumis eelistatud kohas — sfääride keskmes. Selline geotsentriline pilt paistis ülimalt ebatõenäoline, ning enamik astronoome seletas seda vaatlustulemust kui juhuslikku hälvet. Teiste sõnadega, ei tahetud loobuda kontseptsioonist, mille kohaselt galaktikate superparvede jaotus on juhuslik.

²I. Pustõlnik, R. Veskimäe. Universum - milline sa oled? "Horisont" nr. 12 1977

Parvedelgi korrapärane võrgustik

Kirjeldatud selgitus tundus Tartu astronoomidele ebatõenäoline, kuid mitte selles mõttes, et galaktikate jaotus on perioodiline, vaid perioodi geomeetriline tõlgendamine paistis olevat vale. Kui meie poolt juba varem välja pakutud rakuline struktuur on korrapärane, siis just sellist perioodilist jaotust ongi oodata. Niisiis asusime selgitama, kas galaktikate perioodiline jaotus esineb ruumis tervikuna, nagu rakulise jaotuse korral on oodata. Kuna nii kaugele ulatuvaid galaktikate katalooge koos kauguste määrangutega pole veel tehtud, siis kasutasime galaktikaparvi. Parvede kataloog, mis sisaldab parvi üle kogu taeva nii põhja- kui ka lõunataevas, oli just äsja valminud USA astronoomi George Abelli eestvedamisel. Astronoomid kogu maailmas olid hakanud määrama selle kataloogi põhjal parvede kaugusi. Tartus tegeles andmestiku kogumisega Erik Tago, seda koostöös Heinz Andernachiga Madriidist. Maret Einasto uuris parvede jaotust ja koostas superparvede kataloogi. Nende ridade kirjutaja koos Maretiga koondas tähelepanu parvede jaotuse regulaarsuse uurimisele.

Aja jooksul lülitusid programmi mitmed astronoomid teistest observatooriumidest (Potsdamist, Göttingenist, Moskvast). Samaaegselt parvede jaotuse uurimisega tegime koos Tartu ülikooli magistrantide Veikko Saare ja Ott Toometi ning Göttingeni ülikooli doktorandi Patrick Frischiga Universumi arengu numbrilist modelleerimist arvutitel. Meie eesmärk oli selgitada, kuidas on võimalik seletada vaatlustest leitud parvede jaotust.

Esimesed tulemused olid käes 1994. aaastal ja me kandsime need ette Potsdamis peetud rahvusvahelisel konverentsil. Näitasime, et superparvedesse kuuluvad parved moodustavad üsna korrapärase võrgustiku, mis on peaaegu täisnurkne ja mille raku läbimõõt on umbes 120 megaparsekit (vt. joonist).

Esimesed tulemused kahtluse all

Numbriline modelleerimine näitas, et selline korrapära tekib juhul, kui Universumis leiduvad tihedushäiritused on raku suurusega võrdsel lainepikkusel tunduvalt suurema amplituudiga kui naaber-lainepikkusega häiritused. Ehk kui väljendada tehnilises keeles: tihedushäirituste lainete spektris on mõnel lainepikkusel terav maksimum.

Meil õnnestus avaldada superparvede kataloog koos parvede jaotuse analüüsiga, samuti numbrilise modelleerimise tulemused. Kuid katsed avaldada töid, mis käsitlesid parvede jaotuse analüüsi ning sellest tulenevaid järeldusi Universumi tekke ja arengu kohta leidsid tugevat vastuseisu, sest "kõik ju teavad, et superparvede paiknemine on juhuslik!" Meie järeldusi ei võetud tõsiselt, tööd saadeti tagasi kui ebausaldusväärsed ja mitte küllaldaselt põhjendatud. Tuli mõelda sellele, kuidas veenda astronoomilist üldsust meie tulemuste tõepärasuses. Peamiseks vastuväiteks oli argument, et meie analüüs loeti olevat vaid hälve vigade piirides, samuti ei tahetud uskuda, et on tõsine vajadus revideerida seniseid seisukohti Universumi struktuuri tekke teoorias. Niisiis koondasime oma tähelepanu nendele küsimustele. Analüüsisime põhjalikult vaatlusvigade mõju meie tulemustele ja leidsime, et eriti rikaste superparvede jaotuse korrapäras pole mingit kahtlust. Teiseks uurisime võimalust, kui tõenäone on vaatlusetele vastava parvede jaotuse tekkimine teoreetilise mudeli korral, mis vastab senistele ettekujutustele struktuuri arengust. Leidsime, et paremal juhul on see tõenäosus üks ühe miljoni vastu, aga ka see tundub olevat üle hinnatud. Saatsime oma uurimistulemuste lühikese kokkuvõtte ajakirjale "Nature". Ka seal tahtsid retsensendid veel mõningaid asjaolusid täpsustada. Seda õnnestus meil teha ning käesoleva aasta 9. jaanuari numbris ilmus meie artikkel koos toimetusepoolse kommentaariga. Meeldivaks üllatuseks äratas see teadusüldsuse ja ka meedia suurt tähelepanu. Näiteks avaldas "New York Times" pika kommentaari meie tulemustest pealkirjaga "The Real Star Wars: Between Order and Chaos".

Mis hämmastas üldsust kõige enam?

Eks ikka see korrapära, samuti asjaolu, et ilmselt tuleb revideerida teaduses seni tunnustatud seisukohti Universumi tekkimisest. Korrapärast rakkude paigutust võib võrrelda meekärjega, kus samuti rakud paigutuvad korrapäraselt ³. Ilmselt

juhuslikult ei saanud see nii tekkida, oli vaja mingit tegurit (kärje puhul mesilasi), kes need rakud ilusasti ritta seadis. Täiendavaks raskuseks on siin asjaolu, et rakusüsteem on nii suur (ühe raku läbimõõt ligi 400 miljonit valgusaastat), et isegi valgusel ei jätku aega Universumi eluea jooksul vahetada informatsiooni rakkudevõrgu erinevate servade vahel. Seega on ainus võimalus sellise korrapära tekkeks Universumi varajane arengustaadium, mil ta oli veel väga kompaktne ja jätkus ka aega korrapära tekkeks. Sel perioodil oli Universum gaasilises olekus ja oli vaja mingit ``tuult'' korrapärase lainetuse tekkimiseks. Universumit moodustavas gaasis levisid sel ajal igasugused helilained, millest teatud lainepikkusega heli pidi olema eriti tugev, just nagu kindla pikkusega orelivile puhul. Seetõttu Universumi lainetus piltlikult õeldes külmus superparvedena.

Kes või mis "puhus Universumi orelit'' pole veel selge. Otsingud jätkuvad, aga nüüd juba hoopis kindlama suunitlusega. Kui meie tulemused on õiged, siis peaks vastav lainetus olema mõõdetav ka Universumi foonkiirguses, mis tekkis ajal, kui Universum oli umbes tuhat korda väiksem praegusest ja peale Universumi jahtumist jätkab hulkumist avaruses. Sellised foonkiirguse häired on tõesti avastatud. Küsimus on selles, kui tugevad on foonkiirguse lainete amplituudid erinevate lainete korral. Kui meie tulemus on õige ning lainepikkusel umbes 120 megaparsekit on lained tugevamad, siis peaks foonkiirguses olema umbes ühele nurgakraadile vastavad lained samuti teistest tugevamad (sellisele nurkläbimõõdule vastab 120 megaparsekit praeguses Universumis). Esialgsed tulemused kinnitavad tõepoolest, et sel lainepikkusel on ka foonkiirgusel tugev maksimum. Aga see tahab veel kontrollimist, sest tegemist on väga nõrga lainetusega, mille suhteline amplituud on kõigest üks sajatuhandik.

³J. Jaaniste. Hiigelkärg - Universum. "Horisont" nr. 7 ja 8 1981;
J. Einasto. Maailm nagu meekärg. "Horisont" nr. 7 1995.

Fotol on kujutatud Hubble Deep Field (Hubble'i kosmoseteleskoobi sügav väli), pildistatud 1995. aasta lõpul. Selle saamiseks eksponeeriti esimesel pilgul täiesti tühjana paistvat taevaala mitme nädala jooksul erinevate filtritega, mis arvuti abil kokkuviidutena annavad värvilise pildi. Selle nähtavate galaktikate enamik asub meist väga kaugel. Nende punanihked, mille järgi saab määrata galaktikate kaugusi, räägivad seda keelt, et fotol näeme peamiselt noori galaktikate populatsioone. Uurides nende heledusi ja tähelist koosseisu, saame informatsiooni galaktikate tekke ja varase arengu kohta. Et uuritava taevaala tegelik läbimõõt on vaid mõni megaparsek, ei saa nii väikesel alal olevate galaktikate abil kindlaks teha nende paigutust makrostruktuuri seisukohast. Viimase ülesande lahendamiseks on asutud täitma teist programmi. Nimelt määratakse üle kogu taeva rohkem kui miljoni galaktika heledused ja kaugused kuni näiva heleduseni umbes 18 tähesuurust. Selle projekti teostamiseks on ehitatud täiesti uus teleskoop ning esimesi tulemusi oodatakse umbes aasta pärast.

JAAN EINASTO (1929) on Tartu Observatooriumi vanemteadur. Eesti TA akadeemik. Füüsika-matemaatikadoktor. Varjatud aine ja universumi rakulise ehituse avastaja.

Horisont aprill 1997

printerisõbralik versioon esita küsimus