FÜÜSIKAAUHIND

Tänavuse Nobeli füüsikapreemia poolitas Rootsi Kuninglik Teaduste Akadeemia kahe USA astrofüüsiku vahel. Need on John Mather ja George Smoot. Nobelistideks said nad kosmilise reliktkiirguse spektri täppismõõtmise ja selle kiirguse ruumilise ülipeenstruktuuri avastamise eest.

Seni on välja pakutud mitmeid Universumi “biograafiaid”.

Valik kahe vahel

1960. aastail käis turniir statsionaarse, püsikindla Universumi pooldajate ja ühel hetkel plahvatuslikult sündinud Universumi apologeetide vahel. Statsionaarse, alati olnud ja igikestva maailma pooldajate eesotsas oli USA täheteadlane Fred Hoyle. Muide, see oli just tema, kes mõningais raadiosaateis ristis vastasrinna vaatekoha pilklikult Suure Paugu teooriaks. Teaduse areng karistas teda: sõnapaar läks käibele ja püsib nüüd raudselt. Ka Albert Einstein oli veendunud Universumi staatilisuses.

Kummalgi poolel olid oma teooriat toetamas põhjalikud arvutused, kumbki ei vehelnud lihtsalt targutustega. Igikestvat Universumit toetas eriti argument, et see ei vajanud mingit müstilisena tunduvat Universumi sündi peaaegu et eimillestki. Seevastu tuli eeldada aine pidevat, kuigi tühist, juurdeteket – kuid samuti eimillestki.

Suur Pauk eeldab, et Universum tekkis mingil alghetkel punktilaadsest algaatomist – singulaarsusest (joonis trükinumbris). Mis oli siis enne seda? Vastus on, et enne seda polnud midagi: ei aega, ruumi, energiat ega ainet. Kõik tekkis siis korraga. Kaemuslikult on seda muidugi füüsikulgi üsna raske aduda.

Tänapäeval osatakse üsna täpselt, vaid mõneprotsendise veaga määrata, millal Suur Pauk käis: 13,7 miljardit aastat tagasi. Esimestel hetkedel oli meie maailm hõõguv tulekera. Tulikuum oleks selle kohta vähe öeldud. See paisus tohutu kiirusega, ja jahtus paisudes justkui aurukatlast välja lastud aur. 308 000 aastat pärast Suurt Pauku oli ta jahtunud “ainult” 3000 kraadini. See oli küllalt jahe, võimaldamaks tekkida vesiniku ja heeliumi ning liitiumi kergetel aatomitel ja eralduda neist valgusosakestel – footonitel. Varem ei lasknud footonite põrked aatomitel moodustuda.

Jäljed

Küsime nüüd, kas Suurest Paugust on jäänud maailmaruumi ka mingeid jälgi, mida tänapäevalgi saaks täheldada? Vastus on jaatav. Nõukogude Venemaalt pagenud tippteoreetik George (Georgi) Gamow ja mõned teised näitasid, et Suurest Paugust peab olema maailmaruumis säilinud relikt- ehk jäänukkiirgus, tihti nimetatud ka kosmiliseks taustkiirguseks. See on mikrolaine raadiokiirgus, mis täidab kogu ruumi ühtlaselt, homogeenselt ja mis levib kõikides suundades, st isotroopselt.

Ja tõepoolest, see leitigi. Reliktkiirguse avastasid 1964. aastal sootuks juhuslikult ameeriklased, Arno Allan Penzias ja Robert Woodrow Wilson. Avastus pälvis Nobeli autasu 1978. Nemad üritasid kasutada New Jersey’s, Holmdelis asunud kuuemeetrilist mikrolainete vastuvõtu ruuporantenni ja sellega seotud seadmestikku, et uurida vesinikku kosmoses. See mikrolaine raadioseade oli algselt rajatud sidepidamiseks Maa tehiskaaslaste ja kosmoserakettidega. Uurijaid häiris pidev lakkamatu mürataust seadmes. Nad nägid tublisti vaeva, et sellest lahti saada: katsid kõik liitekohad antennis juhtiva teibiga, puhastasid ja vuntsisid seda viimse võimaluseni. Ruuporantenni kaelmikku olid pesa teinud tuvid. Penzias ja Wilson kihutasid linnud armutult minema, võtsid luuad-harjad ja kasisid antenni hoolikalt puhtaks linnusõnnikust ehk “valgest dielektrilisest ollusest, mida hästi tunneb iga linlane,” nagu nad kirjutavad oma teaduslikus aruandes. Tulu polnud sellestki. Jonnakas müra ei kadunud kuhugi.

Juhtumisi võtsid nad telefonitsi ühendust Princetoni teoreetiku Robert Dicke’iga. Muu jutu hulgas kaebasid nad talle ka tüütut, kõrvaldamatut müra oma vastuvõtjas. Dicke oli rabatud. “Poisid, meid on üle trumbatud,” sõnas ta toru käest pannes kolleegidele.

Nendel oli nimelt samuti kavas asuda reliktkiirguse otsingutele.

Peagi ilmusid astrofüüsika ajakirjas kõrvuti kaks lühikest artiklit: Penziase ja Wilsoni oma, milles kirjeldati vaatlusandmeid ilma neid kommenteerimata, ning Dicke ja tema kaastööliste artikkel, milles anti seletus raadioastronoomide vaatlustele kui kosmilise taustkiirguse selgele ilmingule.

On tõestatud, et see kiirgus oli algul, siis, kui ta kiirati, hoopis lühilainelisem – see oli valgus. Ilmaruumi paisumine miljardite aastate jooksul suurendas pidevalt kiirguse lainepikkust, justkui venitades lained välja (kosmoloogiline punanihe). Ja tänapäeval on ta veninud raadio mikrolaineteks, mis sarnanevad nendega, mida tänapäeval kasutame mikrolaineahjudes toidu soojendamiseks.

Sajandi avastus

Nüüd on Suurest Paugust taas palju juttu. Tõepoolest, tänavuse Nobeli füüsikapreemia poolitas Rootsi Kuninglik Teaduste Akadeemia kahe USA astrofüüsiku vahel. Need on John Mather ja George Smoot. Nobelistideks said nad kosmilise reliktkiirguse spektri täppismõõtmise ja selle kiirguse ruumilise ülipeenstruktuuri avastamise eest. Kõrgeima autasu said küll nemad, kuid ega nad saanuks suursaavutuseni jõuda kahekesi: nad olid tuhandeliikmelise teadlaste, inseneride ja tehnikute rühma komandörid. Uuringud tehti Maa tehiskaaslasele COBE (Cosmic Background Explorer – kosmilise taustkiirguse uurija) paigutatud aparaatidega (joonis trükinumbris). Satelliit lennutati orbiidile 18. novembril 1989.

Matheri ja Smooti autasustatud saavutuste olemuse võib üsna lühidalt kokku võtta. Esiteks, nad määrasid suure täpsusega ja laias piirkonnas reliktkiirguse spektri. Selgus, et see ühtib 2,7 K (–270,5 kraadi C) temperatuuril asuva absoluutselt musta keha ehk mustkiirguri spektriga. Väärib märkimist, et COBE aparatuur määras spektri juba oma üheksa esimese tööminuti jooksul orbiidil. Mõistagi tehti hiljem hulganisti kordus- ja kontrollmõõtmisi. On kirjutatud, et kui seda spektrit esmakordselt demonstreeriti 1990. aastal Ameerika Astronoomiaühingu kongressil koos teoreetilise graafikuga – musta keha kiirgust kirjeldava Plancki valemi kuvandiga. (vt joonist trükinumbris), puhkesid ovatsioonid ning kõik tõusid püsti. Just selline, ideaalne mustkiirguri spekter see pidigi teooria järgi olema. Inglise tuntud füüsikateoreetik Stephen Hawking on hinnanud COBE mõõtmisi kui “sajandi, võib-olla kõikide aegade suurimat avastust” ning öelnud, et need “lõid viimase naela statsionaarse Universumi kirstu”.

Üksnes satelliidimõõtmised Maa orbiidilt said kinnitada ka reliktkiirguse homogeensust ja isotroopsust: nende vastuvõtjad olid igal hetkel suunatud eri suunda.

Teiseks, nii COBE satelliidiga kui ka temast hiljem orbiidile lennutatuga, tingnimetusega WMAP, määrati reliktkiirguse ülipeenstruktuur taevalaotusel. See oli eriti raske ülesanne. Tuli määrata kiirguse temperatuuri sajatuhandik kraadiseid hälbeid keskmisest. Jooniselt (vt trükinumbrit) näeme reliktkiirguse kaarti taevasfääril. Kuigi see raadiokiirgus on väga homogeenne, näitab täppisuurimine, et tal on keerukas struktuurimuster. Just neist tühistest hälvetest algas mateeria koondumine tähtedeks ja galaktikateks (joonis trükinumbris). Hiljem andis sellele koondumisele täishoo gravitatsioon. Nende pisihälveteta poleks Päikest, Maad ega meid endidki.

Laureaatide juhitud uurimisrühm andis teavet ka tumeaine ja tumeenergia kaaluka osa kohta Universumis. Kuid see oleks juba omaette jutt. On märgitud, et COBE uuringud viisid nüüdiskosmoloogia täie kindlusega täppisteaduseks.

Lõpetuseks viljaka ja mitmekülgse Nõukogude füüsikateoreetiku Jakov Zeldovitshi arvamus aastast 1987: “Suure Paugu teoorial ei teata praegu ühtegi märgatavat puudust. Ma ütleksin isegi, et ta on nii usaldusväärselt püstitatud ja õige, nagu on õige, et Maa tiirleb ümber Päikese.”

JOHN CROMWELL MATHER, sündinud 1946. aastal Virginias. Lõpetanud 1974 California Ülikooli Berkeley’s. Töötab NASA Goddardi kosmoselendude keskuses. Saanud kümneid auhindu ja muid tunnustusi.

GEORGE FITZGERALD SMOOT, USA astrofüüsik ja kosmoloog, on sündinud 1945. aastal Floridas. Lõpetanud Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi ühtaegu matemaatika ja füüsika erialal 1966. Seal kaitses ka 1970. aastal doktoriväitekirja algosakeste füüsikast. Töötab California Ülikoolis Berkeley’s professorina ja Lawrence Berkeley Rahvuslaboratooriumi ühe uurimisjuhina.

HENN KÄÄMBRE (1935) töötab Tartu Ülikooli Füüsika Instituudis, füüsika-matemaatikadoktor, mitmete populaarteaduslike raamatute autor ja tõlkija.