Mis on tumemaine: nähtamatu enamus universumist ja mida sellest praeguseks päriselt teame

Meid ümbritsev maailm paistab koosnevat tähtedest, planeetidest ja nähtavast ainest. Kuid füüsika järgi moodustab see vaid väikese osa kõigest, mis universumis olemas on. Ülejäänu on midagi, mida me otse ei näe ega tunne: tumemaine.

Tumemaine kõlab ulmeliselt, kuid on tänapäeva kosmoloogia üks keskseid mõisteid. Järgnevalt vaatame lihtsas keeles, miks teadlased on veendunud, et tumemaine eksisteerib, mida selle kohta seni teatakse ja miks selle otsingud mõjutavad tervet füüsikat.

Universumi nähtamatu bilanss: miks tavalist ainest jääb puudu

Tavaline aine koosneb osakestest, mida tunneme koolifüüsikast: aatomid, elektronid, prootonid ja neutronid. Nendest moodustuvad tähed, gaas, tolm, planeedid ja kõik elusolendid. Kosmoloogilised mõõtmised annavad aga märku, et sellist tavalist ainet on universumis vaid väike osa.

Juba aastakümneid viitavad erinevad vaatlusandmed sellele, et enamik gravitatsioonist tuleneb millestki muust. Seda „puuduolevat massi“ nimetatakse tumemaineks, sest see ei kiirga valgust ega neela seda märgatavalt. See on justkui kosmiline karkass, mille külge universumi nähtav struktuur kinnitub.

Esimesed vihjed: tähtede liiga kiired orbiidid

Tumemaaine mõte ei sündinud teooriast, vaid vaatlustest. Kui astronoomid mõõtsid galaktikate servas asuvate tähtede liikumiskiirusi, selgus, et need liiguvad palju kiiremini, kui nähtava massi põhjal võiks eeldada. Lihtne arvutus näitas, et ilma lisagravitatsioonita peaksid sellised tähed galaktikast lihtsalt välja lendama.

Sarnane pilt tuli ka galaktikaparvede puhul, kus parve kooshoidmiseks oli vaja rohkem massi, kui nähtavate galaktikate ja gaasi mass andis. Üks seletus oli, et olemas on suur kogus seni nägematut materjali, mis tõmbab kõike enda poole, kuid ei paista tavapärastes teleskoopides välja.

Mida tumemaine ei ole ja mida arvatakse, et see olla võiks

Esialgu loodeti, et nähtamatu mass on lihtsalt tavaline aine vales vormis, näiteks väga nõrkade tähtede, planeetide või külma gaasi kujul. Hiljem selgus, et sellist „peidus“ tavalist ainet ei ole piisavalt, et nähtud gravitatsiooni ära seletada. Samuti ei sobinud see detailse kosmilise taustkiirguse pildiga, mis peegeldab varajase universumi tingimusi.

Tumemaaine peab olema midagi muud kui tavaline aine: osakesed, mis ei suhtle valgusega või teevad seda väga nõrgalt. Levinud on hüpotees, et tumemaaine koosneb seni avastamata elementaarosakestest. Konkreetseid kandidaate on mitmeid, kuid ühtegi pole veel katseliselt kinnitatud. Teadlased on siin väga ettevaatlikud ja rõhutavad, et tegemist on võimalike mudelite, mitte tõestatud faktidega.

Kuidas tumemaine endast märku annab

Kuigi tumemaine ei kiirga valgust, mõjutab ta tugevalt gravitatsioonivälja. See annabki meile peamised viisid tumemaaine „nägemiseks“ kaudselt. Üks oluline meetod on gravitatsiooniline läätseefekt: massiivsed struktuurid painutavad taustal asuvate galaktikate valgust. Mõõtes seda valguse paindumist, saab järeldada, kui palju massi kuskil tegelikult on.

Samuti jälgitakse, kuidas galaktikad jaotuvad suurtes mastaapides. Tumemaaine olemasolu mõjutab seda, millises tempos ja milliste mustritena tekivad kosmilised struktuurid: galaktikad, parved ja niidilaadsed koondumised. Kosmilise taustkiirguse täpsed mõõtmised annavad omakorda vihjeid, kui palju tumemaaine peab universumi ajaloos juba varakult rolli mängima.

Suured detektorid maa all, mägedes ja kosmoses

Tumemaaine osakeste otsimiseks on rajatud mitmeid keerulisi katsejaamu. Osa neist asub sügaval maa all, et varjestada kosmilist kiirgust ja muid häireid. Seal oodatakse väga haruldasi signaale, mis võiksid viidata tumemaaine osakese põrkumisele detektormaterjaliga.

Teised katsed otsivad tumemaaine võimalikke jälgi osakestefüüsika kiirendites, näiteks väga suure energiani kiirendatud osakeste kokkupõrgetel. On ka kolmas lähenemine: jälgitakse taevas gammakiirgust ja teisi kõrge energiaga signaale, mis võivad tekkida juhul, kui tumemaaine osakesed üksteisega hävivad või lagunevad. Seni pole ükski meetod andnud üheselt veenvat kinnitust konkreetsel kujul tumemaine osakestele.

Kas probleem on hoopis gravitatsioonis?

Osa füüsikuid uurib võimalust, et tumemaaine asemel on puudu hoopis midagi meie gravitatsiooniteooriast. Selle lähenemise kohaselt ei peaks lisama uut ainet, vaid muutma viisi, kuidas me suure mastaabiga gravitatsiooni kirjeldame. Erinevad muudetud gravitatsioonimudelid püüavad seletada galaktikate liikumist ja kosmilist dünaamikat ilma tumemaine mõisteta.

Need mudelid suudavad mõningaid nähtusi kirjeldada, kuid jäävad hätta teistega, näiteks gravitatsioonilise läätseefekti ja kosmilise taustkiirguse täpse pildiga. Seetõttu on tänapäeval domineeriv vaade, et vähemalt osa nähtustest nõuab tumemaine olemasolu. Samas ei saa välistada, et tulevikus leitakse täpsem teooria, mis ühendab mõlemad vaated.

Miks tumemaine on oluline ka väljaspool kosmoloogiat

Tumemaine uurimine ei ole ainult abstraktne huvi, mis puudutab kaugeid galaktikaid. Vastus küsimusele, millest universumi enamus koosneb, mõjutab kogu elementaarosakeste füüsika pilti. Kui leitakse uus osake, mis sobib tumemaine rolli, tuleb korrigeerida või laiendada praegust osakestefüüsika standardmudelit.

Samuti aitab tumemaine parem mõistmine selgitada, kuidas universum arenes varajastest aegadest kuni tänapäevaste galaktikateni. See on oluline taustteadmine, millele toetuvad ka teised uurimisvaldkonnad, näiteks galaktikate areng, täheteke ja isegi planeedisüsteemide kujunemine.

Mida saab lugeja siit kaasa võtta

Kui räägitakse tumemaainest, tasub meeles pidada paari põhimõtet. Esiteks on tegemist hästi põhjendatud järeldusega paljudest sõltumatutest vaatlustest, mitte juhusliku hüpoteesiga. Teiseks on detailid siiski veel lahtised ja täpne olemus teadmata, seega tuleb uute „kindlate tõdede“ ja sensatsiooniliste pealkirjade suhtes olla kriitiline.

Tumemaine on hea näide sellest, kuidas teadus toimib: nähtuste selgitamiseks pakutakse välja mudeleid, neid kontrollitakse uute mõõtmistega ning vajadusel parandatakse või hülgatakse. Me ei tea veel, milline täpne lugu tumemainega lõpuks kirja saab, kuid otsing ise on juba praegu üks põnevamaid peatükke kaasaegses füüsikas.