Kümmeastmed ja vaadeldav universum

Vaadeldava universumi mõõtmeid on keeruline edasi anda isegi visuaalselt. Kuid üritada võib. 1968. aastal mõtlesid graafilise disaini pioneeridena tuntuks saanud abielupaar Charles ja Ray Eames selleks välja võrdlemisi elegantse meetodi, millest sai lõpuks lühifilm Kümmeastmed (originaal: Powers of Ten: A Film Dealing with the Relative Size of Things in the Universe and the Effect of Adding Another Zero). IBM-i abiga toonases mõttes revolutsioonilist graafikat sisaldavas filmis näidati vaatlejale kuidas on võimalik millegi mõõtmeid 10 korda suurendades (ja vähendades) jõuda mõne minutiga inimese suurusest objektist terve vaadeldava universumini ning tagasi aatomite juurde.

Film oli niivõrd lihtne ja visuaalselt rabav, et järgnevatel aastakümnetel on sama põhimõtet korduvalt jäljendatud. Näiteks 1996. aastal tehti sellest uusversioon pealkirjaga Universumi skaala kümmeastmetes (Bayley Silleck, Jeffrey Marvin, Morgan Freeman).

2022. aastal tehti 1977. aasta videost jällegi tänapäevase arvutigraafika abil uuendatud versioon, kus uuriti, et kuidas meie teadmised universumi suurimatest ja väiksematest suurusjärkudest on poole sajandi jooksul muutunud. Selle video autoriks on BBC ja Pomona Pictures ning videot saadab briti osakestefüüsik Brian Cox (kes külastab aprillis oma vägeva visuaalse teadusetendusega Emergence Alexela Kontserdimaja).

Siin all näeb aga üht sama põhimõtte uusimat nägemust. Võrdlemisi lühikese video (tänapäeva inimeste võime millegile üle paari minuti keskenduda on tõsine probleem) autoriks on Paul Dancstep. Avaldati see youtube kanalis 3Blue1Brown, mille loojaks USA matemaatik Grant Sanderson (tema loeb sellele ka peale). Videos näeb taaskord, et kuidas saaksime jõuda mandrite mõõtmete juurest vaadeldava universumi ääreni lihtsalt kümnekordistades (antud juhul iga kolme sekundi järelt) avanevat kaadri läbimõõtu. Lõpuks jõuab video galaktikateparvede struktuurini, mille andmed pärinevad Sloani digitaalsest taevavaatlusetest (SDSS), mis said alguse 2000. aastal.

Taustkiirgus ja universumi kuju

Tekst: Tanel Tomson

Mis kujuga on meie universum? Igapäeva elus ei pruugi meile mõttessegi tulla, et universum võib olla mingisuguse kindla kujuga. Kosmoloogide jaoks on see aga tähtis küsimus, sest meie universumi kuju on universumi alguse, arengu ja lõpu peale mõtlema asudes oluline tegur.

Siinjuures peaks natuke kirjeldama, mida mõtleme kui räägime universumi enda kujust. Selleks on kolm võimalust: tasane, ümmargune ehk kinnine ja sadula kujuga ehk lahtine. Selle ettekujutamiseks peame universumi vähendama kahemõõtmeliseks pinnaks. Päris pilti me sellest endale teha ei saa, sest kogeme kõik maailma kolmemõõtmelisena ja kui universum on kuhugi suunas kõverdunud, siis seda neljamõõtmelises ruumis (nagu kahemõõtmeline paberileht mida me kõverdame oma kolmemõõtmelises ruumis).

Kahemõõtmelised kujutised kinnisest, lahtisest ja tasasest universumist.

Aga mida universumi kuju meile tähendab? Samamoodi nagu meie ümmargusel planeedil, kui sa liigud kinnises universumis piisavalt kaua otse siis jõuad lõpuks tagasi oma alguspunkti ja kui sul oleks kinnises universumis lõpmata võimas teleskoop, siis sa saaksid iseenda kukalt vaadata. Teine viis seda ette kujutada on mõelda kahele paralleelsele valguskiirele, mis kinnises universumis lähenevad (ja lõpuks lõikuvad) ja lahtises universumis üksteisest kaugenevad. Tasast universumit on kõige lihtsam ette kujutada, sest selles jäävad paralleelsed valguskiired jäävad paralleelseks ja iseenda kukalt teleskoobiga vaadata ei saa.

Aga mis kujuga on siis meie universum? Esimene teaduslik eksperiment universumi kuju mõõtmiseks algas 1997. aastal Antarktikas nimega BOOMERanG*. BOOMERanG kasutas õhupalli, et viia teleskoop kõrgele atmosfääri, mis seejärel tegi kahe nädala jooksul ringi ümber lõunapooluse samal ajal kaardistades Kosmilist Mikrolaine-taustkiirgust ehk reliktkiirgust**. Kuna on teada, et reliktkiirgus on pärit ligikaudu 380 000 aastat pärast suurt pauku, siis kogumid reliktkiirguse sees on piiratud gravitatsiooni levimis kiirusest (gravitatsioon levib valguskiirusel ja kuna reliktkiirguse tekkimise hetkel oli universum 380 000 aastat vana, siis üks tahes millise kogumi gravitatsiooni välja kõige kaugem ulatus sai olla 380 000 valgusaastat). Seega oli teadlastel võimalik teha ennustusi kõige suuremate kogumite (kogumite all mõtleme natuke tihedamaid ja kuumemaid kohti tolleaegses universumis) nurkläbimõõdu kohta meie taevas. Tasases universumis, kus paralleelsed jooned jäävad paralleelseks, ei ole meie pilt reliktkiirgusest moonutatud. Kinnises universumis on kogumite äärtest tulevad mikrolained lähenenud üksteisele ja seega maalt vaadates oleks nende nurkläbimõõt suurem. Lahtises universumis vastupidiselt oleks nende nurkläbimõõt väiksem.

BOOMERanG missioon alustamas Antarktikas. Missioon tegi kokku 2 lendu antarktikas 1998. ja 2003. aastal

BOOMERanGilt saadud tulemus ühtis kosmoloogide ennustusega tasasest universumist, tulemus mida veel kinnitas 2001. aastal missiooni alustanud WMAP kosmosesond, mis kaardistas terve taevas nähtava reliktkiirguse, mitte ainult lõunapooluselt nähtava osa. Seda, et universum on täpselt tasane, ei saa me aga väita. Võib olla, et kumerus on nii tühine, et me ei ole suutelised seda tuvastama. Sellegipoolest on nüüdseks kindel, et meie vaadeldav universum on väga lähedal tasasele universumile, kui mitte täiesti tasane.

BOOMERanGi poolt saadud kaardistus reliktkiirgusest

WMAPi missiooni poolt aasta jooksul kaardistatud reliktkiirgus.

*BOOMERanG ehk Balloon Observations of Millimetric Extragalactic Radiation And Geophysics. Tegelikult pandi just selline nimi, sest õhupall alustas ja lõpetas missiooni samast kohast, nagu bumerang.

**Kosmiline Mikrolaine-taustkiirgus ehk reliktkiirgus on pärit ajast kui universum jahtus ja mateeria hakkas plasmast moodustama lihtsamaid aatomeid. Äsja tekkinud aatomid ei suutnud enam kiirgust neelata ja kiirguse footonid hakkasid universumis levima. Enne aatomite teket universumi täitnud plasma oli valguse jaoks läbimatu ja seetõttu ei saa me reliktkiirgusest kaugemale minevikku näha (kuna valgusel on lõplik kiirus, siis kaugemale vaatamine on ka minevikku vaatamine).

Mis värvi on universum?

Mis värvi on universum? Selline küsimus, mis võiks esmapilgul kuuluda lapsele, ei pruugigi olla täiesti vastamatu. Täpsemalt võiks selle sõnastada, et mis oleks meid ümbritsevate galaktikate keskmine värv nähtuna Maalt.

2003. aastal avaldasid Johns Hopkinsi ülikooli teadlased Karl Glazebrook ja Ivan Baldry uurimuse, kus nad tegid kindlaks 200 tuhande galaktika liitvärvi, milleks on allolev kergelt beežikas toon. Leidmaks sellele värvile ametlikku nime, korraldasid nad võistluse, mille võitjaks sai nimi "Kosmiline latte". Selle pakkus välja Peter Drumi nimeline mees, kes luges võistlusest kohvikus istudes ning kes märkas, et küsitav toon ja tema latte olid sama värvi. Teiste pakutud nimede hulgast leiab veel "Cappuccino Cosmico", "Suure Paugu beeži" ja "Univeeži".

Allolevat värvi, mis HEX-koodis on #FFF8E7, võiks sisuliselt võtta kui väga paljudes galaktikatest sisalduvate tähtede keskmist värvitooni nähtuna Maalt. Universumi vananedes on see värv muutunud ja muutub ka edaspidi oluliselt punakamaks, kuna kunagised kuumad ja seega sinisemad tähed on nüüdseks paisunud punasteks hiidudeks. Sõna "nüüdseks" on muidugi petlik, kuna valguse kiirus on lõplik ning me saame rääkida ainult sellisest tähevalgusest, mis on meieni jõudnud. 

Inimkogemuse ulatus universumis

Universumi ulatus ajas ja ruumis on meeletult suur. Meil ei ole vahendeid, et kõiki universumi paiku külastada ning me ei ela igavesti, et kõikidele sündmustele ajas tunnistajaks olla. Samamoodi ei ole meil ka meeli, mis tajuks palju lühemat aega kui silmapilk või näeks palju peenemat objekti kui juuksekarv.

Allolev joonis näitab meie vahetut paiknemist ruumis (meetrites) ja ajas (sekundites). Selleks, et kõik ühele joonisele mahuks, on kastutatud logaritmilist skaalat, kus iga samm on eelmisest 10 korda suurem. Ainuke viis valgest kastist (joonis) väljapool olevat vahetult kogeda on tähistaevast vaadata (sh Päike ja Kuu).

Violetse tooniga on markeeritud, mis suundades Tõrva Astronoomiaklubi aitab astronoomiahuviliste maailma avardada.

Joonis, mis inspireeris – (Blin-Stoyle, R. J. (1997). EUREKA!)