Küsimus Universumi päritolu, selle mineviku ja tuleviku kohta on inimesi muretsenud juba ammusest ajast. Paljude sajandite jooksul on tekkinud ja ümber lükatud teooriad, mis pakuvad maailmast pilti teadaolevate andmete põhjal. Põhiline šokk teadusmaailmale oli Einsteini relatiivsusteooria. Samuti andis ta tohutu panuse universumit moodustavate protsesside mõistmisse. Relatiivsusteooria ei saanud aga pretendeerida lõplikule tõele, mis ei vaja mingeid täiendusi. Tehnoloogiate täiustamine võimaldas astronoomidel teha varem mõeldamatuid avastusi, mis nõudsid uut teoreetilist baasi või olemasolevate sätete olulist laiendamist. Üks selline nähtus on tumeaine. Aga kõigepe alt asjad kõigepe alt.
Möödunud päevade juhtumid
Määruse "tumeaine" mõistmiseks pöördume tagasi eelmise sajandi algusesse. Sel ajal domineeris idee universumist kui statsionaarsest struktuurist. Samal ajal eeldas üldine relatiivsusteooria (GR), et varem või hiljem viib tõmbejõud selleni, et kõik kosmoseobjektid "kleepuvad" üheks palliks, see juhtub niinimetatakse gravitatsiooniliseks kollapsiks. Kosmoseobjektide vahel ei ole tõukejõude. Vastastikust külgetõmmet kompenseerivad tsentrifugaaljõud, mis tekitavad tähtede, planeetide ja muude kehade pideva liikumise. Nii säilib süsteemi tasakaal.
Universumi teoreetilise kokkuvarisemise ärahoidmiseks võttis Einstein kasutusele kosmoloogilise konstandi – väärtuse, mis viib süsteemi vajalikku statsionaarsesse olekusse, kuid mis on samal ajal tegelikult leiutatud, ilma ilmse põhjuseta.
Universumi laienemine
Friedmani ja Hubble'i arvutused ja avastused on näidanud, et üldrelatiivsusteooria harmoonilisi võrrandeid pole vaja uue konstandi abil rikkuda. On tõestatud ja tänapäeval on see tõsiasi praktiliselt väljaspool kahtlust, et Universum paisub, kunagi oli sellel algus ja statsionaarsusest ei saa juttugi olla. Kosmoloogia edasine areng tõi kaasa Suure Paugu teooria tekkimise. Uute eelduste peamine kinnitus on galaktikatevahelise kauguse täheldatud suurenemine aja jooksul. Just naaberruumisüsteemide üksteisest eemaldumise kiiruse mõõtmine viis hüpoteesini, et on olemas tumeaine ja tumeenergia.
Andmed ei ole teooriaga kooskõlas
Fritz Zwicky 1931. aastal ning seejärel Jan Oort 1932. aastal ja 1960. aastatel loendasid kauges parves asuvate galaktikate aine massi ja selle suhet nende üksteisest eemaldumise kiirusega. Aeg-aj alt jõudsid teadlased samadele järeldustele: sellest ainekogusest ei piisa, et selle tekitatud gravitatsioon suudaks vastu pidada.koos nii suurel kiirusel liikuvad galaktikad. Zwicky ja Oort väitsid, et on olemas varjatud mass, universumi tumeaine, mis ei lase kosmoseobjektidel eri suundades hajuda.
Teadusmaailm tunnistas hüpoteesi siiski alles seitsmekümnendatel, pärast Vera Rubini töö tulemuste väljakuulutamist.
Ta koostas pöörlemiskõverad, mis näitavad selgelt galaktika aine liikumiskiiruse sõltuvust kaugusest, mis eraldab seda süsteemi keskpunktist. Vastupidiselt teoreetilistele eeldustele selgus, et tähtede kiirused galaktika keskmest eemaldudes ei vähene, vaid suurenevad. Sellist valgustite käitumist saab seletada ainult halo olemasoluga galaktikas, mis on täidetud tumeainega. Seega seisab astronoomia silmitsi universumi täiesti uurimata osaga.
Omadused ja koostis
Sellist ainet nimetatakse pimedaks, kuna seda ei saa ühegi olemasoleva vahendiga näha. Selle olemasolu tunneb ära kaudse märgi järgi: tumeaine loob gravitatsioonivälja, samas ei kiirgata täielikult elektromagnetlaineid.
Kõige olulisem ülesanne, mis teadlaste ees kerkis, oli saada vastus küsimusele, millest see mateeria koosneb. Astrofüüsikud püüdsid seda "täita" tavapärase barüonainega (barüonaine koosneb enam-vähem uuritud prootonitest, neutronitest ja elektronidest). Galaktikate tume halo hõlmas seda tüüpi kompaktseid, nõrg alt kiirgavaid tähtipruunid kääbused ja tohutud planeedid, mis on massiliselt Jupiteri lähedal. Need oletused pole aga kontrollile vastu pidanud. Barüonaine, tuttav ja tuntud, ei saa seega mängida olulist rolli galaktikate varjatud massis.
Täna otsib füüsika tundmatuid komponente. Teadlaste praktilised uurimistööd põhinevad mikrokosmose supersümmeetria teoorial, mille kohaselt on iga teadaoleva osakese jaoks supersümmeetriline paar. Need on need, mis moodustavad tumeaine. Siiski pole veel tõendeid selliste osakeste olemasolu kohta saadud, võib-olla on see lähituleviku küsimus.
Tume energia
Uut tüüpi aine avastamine ei lõpetanud Universumi poolt teadlastele ette valmistatud üllatusi. 1998. aastal avanes astrofüüsikutel veel üks võimalus võrrelda teooriate andmeid faktidega. Seda aastat iseloomustas supernoova plahvatus meist kaugel asuvas galaktikas.
Astronoomid mõõtsid kaugust selleni ja olid saadud andmetest ülim alt üllatunud: täht süttis palju kaugemale, kui see olemasoleva teooria kohaselt oleks pidanud olema. Selgus, et universumi paisumise kiirus aja jooksul suureneb: praegu on see palju suurem kui 14 miljardit aastat tagasi, mil väidetav alt toimus suur pauk.
Nagu teate, vajab keha liikumise kiirendamiseks energiat. Jõudu, mis paneb universumi kiiremini paisuma, on hakatud nimetama tumeenergiaks. See pole kosmose vähem salapärane osa kui tumeaine. On teada ainult see, et see on iseloomulikühtlane jaotus kogu universumis ja selle mõju saab registreerida ainult tohututel kosmilistel kaugustel.
Ja jälle kosmoloogiline konstant
Tume energia on suure paugu teooriat raputanud. Osa teadusmaailmast on sellise aine võimalikkuse ja sellest põhjustatud paisumise kiirenemise suhtes skeptiline. Mõned astrofüüsikud üritavad taaselustada unustatud Einsteini kosmoloogilist konstanti, mis jällegi suure teadusliku vea kategooriast võib minna tööhüpoteeside hulka. Selle esinemine võrrandites tekitab antigravitatsiooni, mis viib laienemise kiirenemiseni. Mõned kosmoloogilise konstandi olemasolu tagajärjed ei ole aga vaatlusandmetega kooskõlas.
Tänapäeval on tumeaine ja tumeenergia, mis moodustavad suurema osa universumi ainest, teadlaste jaoks mõistatused. Küsimusele nende olemuse kohta ühest vastust pole. Pealegi pole see ehk viimane saladus, mida kosmos meie eest varjab. Tumeainest ja energiast võivad saada uued avastused, mis võivad muuta meie arusaama universumi ehitusest.
