Vana-aasta viimases Horisondi intervjuus akadeemik Ene Ergmaga tõdesime, et teine revolutsioon astronoomias algas 1970. aastatel, mil mitmetel pimedatel akendel kaugkosmosesse vaatamiseks luugid avati: elektromagnetiliste lainete spekter oli muudetud peaaegu täies ulatuses läbipaistvaks. Seda võimaldas eeskätt sputnikuajastu.

Käesolevast numbrist alates hakkavadki Eesti astronoomid piiluma taevasse läbi kõikide akende. Ja üsna loomulik on, et alustame vaatlustest läbi meile kõigile tuttava optilise akna, sest nähtava valguse tunnetamiseks pole vaja kaugelt abi otsida, silm ju omast käest võtta.

Horisondi ja astronoomide koostöös on tähistaevas ja Universum mitmel korral “üle käidud”. 1970. aastate taevaatlastele ja 1980. aastate taevakalendritele järgnesid 1990. aastatel planeedi-, tähe- ja galaktikalood, millest kasvas välja põhjalik koguteos “Universum”. Pärast seda on tehtud tõsisemat tutvust eri tüüpi teleskoopidega; küllap on paljudele lugejatele omaseks saanud ka Marsi maastikud. Tänase looga alustame jälle uut artikliseeriat taevastest asjadest. Võiks ju küsida, kas ehk liiga palju ei saa? Kas on veel maailmas uut? Kindlasti on.

Kui juba sajand tagasi räägiti elektroni ja aatomi ammendamatusest, siis hiigelsuurt Universumit on kindlasti võimatu ammendada. Teaduse areng on lihtsalt nii kiire, et mõne aasta eest ilmunud Universumi-raamatule oleks vaja üht-teist uuemat lisada. Kuid seekord plaanime vaadata Universumile natuke teisiti. Katsume teda lahterdada mitte niivõrd näiteks planeetide, tähtede ja galaktikate järgi, vaid pigem uurimismeetoditest lähtudes, vaadeldes taevast näiteks elektromagnetkiirguse eri akendest – nähtavas valguses, infrapuna- ja raadiokiirguses, ultraviolett-, röntgeni- ja gammakiirguses. Ka muud infoallikad, nagu kosmilised kiired, neutriinod ja gravitatsioonilained, on taevakirjeldamisel järjest tähtsamaks muutunud. Kui iga loo kirjutaja püüab silmas pidada ka natuke laiemat tausta, peaksime kokku saama ilusa tervikpildi. Selline ju tegelikult ongi viis, kuidas astronoomiline maailmapilt üksikutest infokübemetest kokku pannakse. Lubaduste väljakäimine on veidi riskantne, ent loodame, et lugejad leiavad seegi kord meie lugudest midagi uut ja huvitavat, mis aitab mõista, kui põnev see ääretu Universum on ja kui tihedalt meie väike Maa selle kõiksusega seondub.

400 aastat teleskoobiajastut

Vaadates palja silmaga öötaevasse, näeb tänapäeva inimene praktiliselt samasugust tähtkujude pilti nagu vanad kreeklased. Mõned lähemad tähed on küll omaliikumise tõttu veidi asendit muutnud, kuid üldiselt on muutus tühine. Ka Päike, Kuu ja planeedid (viimaseid nimetasid kreeklased hulkuvateks tähtedeks) liiguvad tähtede suhtes ikka samu radu pidi. Kui palju on aga muutunud inimeste arusaam sellest, mis niisuguse näiva rahu ja korrapärase liikumiste taga on! Esimene rahurikkuja oli Poola munk ja õpetlane Mikolaj Kopernik (1473–1543), kes julges tõugata Maa tolle keskselt positsioonilt ja panna ta koos teiste planeetidega tiirlema ümber Päikese. Kogu see süsteem jäi siiski kätketuks planeetide taga asuvasse kinnistähtede sfääri. Itaalia õpetlase Giordano Bruno (1548–1600) mõttelend alandas Päikesegi üheks tavaliseks täheks lõpmatus Universumis.

Tõeline murrang astronoomilise maailmapildi kujunemisel sai aga alguse teleskoobi kasutuselevõtust Galileo Galilei (1564–1642) poolt 1609. aastal. Sellest ajast möödunud pea nelja sajandisse jääb tohutult avastusi, uusi arusaamu ja mõtteviise, loomisrõõmu ja pettumusi, ka võitlust uute teadmiste vastu. Ometi võib praeguse loo seisukohalt teha suure hüppe ja väita, et järgmine tõsine murrang vaatluslikus astronoomias algas 20. sajandi teisel poolel. Rohkem kui kolmesaja aasta jooksul arenesid teleskoobid muidugi märkimisväärselt, võimaldades näha järjest nõrgemaid objekte, mõõta järjest täpsemalt taevakehade positsioone, lahutada valgust spektriks jne, kuid ikkagi jäid nende võimalused piiratuks selle kitsukese aknaga, mille kaudu inimene ka palja silmaga näeb.

Silmade avanemine

Valdav osa, et mitte öelda kogu informatsioon Universumist on seni saadud ja saadakse ka tulevikus elektromagnetlainete abil. Laineid, seda Looduse universaalset nähtust, võib iseloomustada kas lainepikkusega laineharjade vaheline kaugus) või sagedusega (kui palju võnkeid mahub ühte ajaühikusse). Elektromagnetkiirgust saab tegelikult käsitleda korraga nii lainetena kui osakestena. Footoniteks nimetatavaid osakesi iseloomustab kõige paremini energia. Kõik need kolm suurust on omavahel seotud.

Looduses esinevate elektromagnetlainete puhul võivad kõigi nende kolme suuruse väärtused katta 17–19 suurusjärku, ulatudes näiteks lainepikkuste puhul miljondikest nanomeetritest (10-15 meetrit) kilomeetriteni (103 meetrit) ehk sagedustes üle 50 oktaavi. Inimsilm näeb sellest umbes ühte oktaavi ehk lainepikkuste vahemikku 380–770 nm.

Kujutagem nüüd ette, et me klaveri 88 klahvi helidest oleksime võimelised kuulma vaid näiteks esimese oktaavi la'd ja la-bemolli. Aga just sellises olukorras me oma silmaga taevasse vaadates oleme! Ja klassikaline optiline teleskoop seda viga ei paranda. Ainus võimalus maailma tõeliseks tundmaõppimiseks on “teha nähtavaks” ka teised lainepikkused. 20. sajand jääbki astronoomia ajalukku kui silmade avanemise ajajärk. Selle täpset algust on raske dateerida, vahest võib selleks pidada esimese kosmilise raadiokiirguse allika juhuslikku avastamist Ameerika inseneri Karl Jansky (1905–1950) poolt 1932. aastal. Kuigi jah, see, et Päike kiirgab ja Kuu peegeldab soojus- ehk infrapunakiirgust, oli selge juba 19. sajandil. 1920. aastatel mõõtsid Ameerika astronoomid Edison Pettit ja Seth B. Nicholson juba mitmete tähtede infrapunakiirgust; tõelise infrapuna-astronoomia alguseks peetakse siiski 1960. aastaid.

Pikalainelist infrapuna- ja raadiokiirgust avastada ja uurida oli suhteliselt lihtne, sest suur osa sellest jõuab üsna takistamatult maapinnani (infrapuna piirkonnas, tõsi küll, ainult teatud lainepikkuste vahemikes ehk akendes). Lühemalainelise kiirgusega on aga hoopis hull lugu, see ei jõua üldse läbi Maa atmosfääri tungida. Kui aga jõuaks, ei leiduks Maal kedagi, kes seda uuriks, sest kosmiline ultraviolett-, röntgeni- ja gammakiirgus ei oleks lasknud praegu tuntud maisel elul üldse tekkida. Et siin aga tõesti elu on, sealhulgas ka sellised olendid, kes tahavad tundma õppida ümbritsevat Universumit, tuleb neil oma uudishimu rahuldamiseks viia teleskoobid atmosfääri segava mõju alt välja. Seega sai lühilaineline astronoomia võimalikuks alles pärast kosmonautikaajastu algust 1957. aastal. Tänaseks on taevakehade saladusi uuritud pea kogu elektromagnetlainete diapasoonis, on avastatud uusi objektide klasse, koostatud suuri taevaülevaateid teatud lainete piirkonnas jne. Kõigest sellest tuleb meie järgnevates lugudes juttu.

Sellest, et “kõigelaineliseks” muutumine oli 20. sajandi tähtsaim murrang astronoomias, annab veidi aimu ka teaduse ihaldatuimate auhindade – Nobeli preemiate – jaotus. Sajandi jooksul välja antud füüsikapreemiatest võib otseselt astrofüüsikasse kuuluvateks lugeda vahest seitset, kui arvestada ka Viktor Hessi 1936. aasta preemiat kosmiliste kiirte avastamise eest. Seegi on ju üks alternatiivne infokanal Universumi tundmaõppimiseks. Ülejäänud kuuest neli on saadud samuti põhiliselt “uute akende” avastamise ja uurimise eest: 1974 – Martin Ryle ja Anthony Hewish nüüdisaegsele raadioastronoomiale (apertuursüntees) aluse panemise ja pulsarite avastamise eest; 1978 – Arno Penzias ja Robert Wilson kosmoloogilise reliktkiirguse (mis on raadiokiirgus) avastamise eest; 1993 – Russell Hulse ja Joseph Taylor jun olid avastanud kaksikpulsari (raadiovaatlustega muide), mis kinnitab gravitatsioonilainete kiirgamist; 2002 – Raymond Davis jun ja Masatoshi Koshiba neutriinoastronoomia ning Riccardo Giaconni röntgenastronoomia rajamise eest. Ülejäänud kaks preemiat – 1967 Hans Bethe ning 1983 Subrahmanyan Chandrasekhar ja William Fowler – saadi esmapilgul teist laadi saavutuste, tähtedes toimuvate tuumareaktsioonide ning teiste füüsikaliste protsesside teoreetilise ja eksperimentaalse uurimise eest. Kuid nende tuumareaktsioonide produktide (valgete kääbuste, supernoovade jne) korralikuks uurimiseks on ikka vaja võimalikult laia elektromagnetlainete vahemikku ja ka teisi infokanaleid.

Klaas sooja vett ja astronoomiline maailmapilt

Aastat viisteist tagasi tegi Vene astrofüüsik Aleksandr Tutukov järgmise mõtlemapaneva ligikaudse arvutuse, millele ka paljud teised astronoomid on tähelepanu pööranud: võttes maailma teleskoopide peeglite kogupindalaks 100 ruutmeetrit, nende aktiivse kasutamise ajaks 50 aastat ning arvestades, et vaid mõni protsent kogutud footonitest kasutatakse lõpuks ära teleskoobiga ühendatud kiirgusvastuvõtjas, saame astronoomide poolt kokku korjatud footonite energia suurusjärgus 10 kalorit. Kui sellist energiat kasutada klaasitäie vee soojendamiseks, siis tõuseks vee temperatuur umbes kümnendiku kraadi võrra.

Tõsi, aeg on edasi läinud, on tulnud uusi suuremaid teleskoope. Praeguste hinnangute järgi peaks ainuüksi USA astronoomide käsutuses olevate optiliste teleskoobipeeglite pindala olema üle 500 ruutmeetri; Euroopa Lõunaobservatooriumi VLT (Very Large Telescope) üksi annab juurde 200 ja ülejäänud Euroopa teleskoobid veel üle 100 ruutmeetri, seejuures on arvestatud ainult üle kahemeetrise läbimõõduga peegleid, Tõravere 1,5-meetrine jääb niisiis sellest arvestusest välja. Kiirgusvastuvõtjadki on läinud efektiivsemaks, kasutades mõnikord ära juba 80–90 protsenti footonitest.

Et kosmoseteleskoopidega kogutavad röntgeni- ja ultraviolettkiirguse kvandid on palju suurema energiaga kui nähtavas kiirguses, siis seda asjaolu arvesse võttes saaksime praeguseks kogutud energiaga klaasitäie vett juba vähemalt paari-kolme kraadi võrra soojendada. Aga näiteks toasooja vee keemaajamisest on asi veel väga kaugel. Sellisel väikesel energiahulgal siis seisabki meie astronoomiline maailmapilt!

Universum on tume, tume

Kuni 20. sajandi teise pooleni arvati, et vähemalt 95 protsenti Universumi ainest on koondunud tähtedesse. 1933. aastal oletas küll Shveitsi astronoom Fritz Zwicky, uurides Coma ehk Berenike Juuste galaktikaparve, et see peab sisaldama mingit tumedat nähtamatut ainet, mille olemasolu tõendab vaid gravitatsioonijõud. Kuid see asi jäi tookord kuidagi soiku ja laiemat huvi ei äratanud. 1970. aastatel sai aga selgeks – ja selles loos on oluline osa Eesti astronoomidel eesotsas akadeemik Jaan Einastoga – et paljud galaktikad on hoopis raskemad, kui peaksid olema neis helenduvate tähtede järgi. Teiste sõnadega, galaktikaid ümbritsevad massiivsed nähtamatust ainest kroonid. Kohanud algul tugevat vastuseisu, on tume aine nüüdseks saanud eluõiguse. Küllap vist praktiliselt kõik astronoomid on tänapäeval veendunud, et nähtamatu aine mass Universumis ületab nähtava oma kümmekond korda. Viimaste kosmoloogiliste mudelite järgi moodustab harjumuspärane barüonaine – see, mis koosneb prootonitest, neutronitest ja elektronidest ning mis helendab – vaid 4,4 protsenti Universumi aine-energiabilansist. Mis see nähtamatu endast kujutab, pole veerand sajandi jooksul veel selgeks saanud. Ilmselt ei moodusta seda neutriinod, vaid nn külm tume aine, mis peab olema tekkinud vahetult pärast Suurt Pauku.

Viimastel aastatel on kosmoloogiline maailmapilt läinud veelgi segasemaks. On näiteks leitud märke Universumi järjest kiirenevast paisumisest. Kõiki vaatlusandmeid ja teooriaid kokku võttes on uue aastatuhande alguseks jõutud järeldusele, et aine – nähtav ja nähtamatu kokku – moodustab ainult 27 protsenti Universumi energiatihedusest. Ülejäänud 73 protsenti on mingi tabamatu tume energia, Universumit paisutav jõud; see, mida Albert Einstein nimetas kosmoloogiliseks konstandiks ja mille ta hiljem oma võrranditest välja viskas. Vahel nimetatakse seda ka kvintessentsiks (ld quinta essentia – viies põhielement senituntud maa, vee, õhu ja tule kõrval). Ja kuigi päris viimased kosmilise reliktkiirguse mõõtmise tulemused automaatjaamalt Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, mis asub Maa ja Päikese vahel nn Lagrange’i punktis ning mis annab järjest täpsustuvaid andmeid aastani 2005, vihjavad, et Universumi keskmine tihedus võib olla kriitilisest tihedusest veidi suurem – 1,02 või 1,03 – ei tähenda see, et Universum hakkaks kunagi tulevikus kokku tõmbuma. Tumedal energial peaks jätkuma jõudu teda igavesti laiali puhuda. Nii et inimkonda on ootamas kurb saatus kõledas ja pimedas Universumis, aga õnneks on selleni veel hästi palju aega.

Ehk on meie akende-seeria lõppemise ajaks ka tumeda aine ja tumeda energia olemus veidi selgemaks saanud. Esialgu aga peame leppima teadmisega, et see, millest edapidi juttu tuleb, võib olla vaid väike pinnavirvendus, mis iseloomustab mõnda protsenti Universumi tegelikust olemusest. Juba kõlavad ennustused, et tänu tumeda energia avastamisele on oodata täiesti uut füüsikat. Igal juhul võib praegu isegi teatud uhkust tunda, et nii väikeste energiahulkade abil on Universumist nii palju teada saadud. Ja kui Universum sisaldab veel palju senitundmatut, teebki see meie tuleviku põnevaks. Uudishimu on inimkonda edasiviiv jõud.

LAURITS LEEDJÄRV (1960) on Tartu Observatooriumi direktor. Füüsika-matemaatikakandidaat.