Teadusaasta 2016: inimese ja Universumi ajalugu pakkus põnevust

Foto:ESA

Teaduse aastad pole sama pikad kui Maa-aastad. Tulemusteni jõutakse aeglaselt ja võib juhtuda, et nii mõnigi lükatakse hiljem ümber. Nõnda möödunud aastal ka juhtus. Aga palju oli ka uut.

Avastus, millest ei pääse mööda: gravilained
Üks väga oluline kosmoloogiline avastus oli möödunud aastal gravitatsioonilainete eksperimentaalne kinnitamine kahest mõõteseadmest koosnevas, USAs toimunud eksperimendis LIGO (TM, 4/2016). Registreeriti kahe, meist 1,3 miljardi valgusaasta kaugusel asuva hiiglasliku musta augu kokkupaiskumisel tekkinud gravilaine. Tänavu kavatsetakse eksperimendiga edasi minna, ehitades mõõteseadmed täpsemaks ja tundlikumaks, et skeptikuid uskuma panna. Sellelaadse eksperimendiga kaasneb pigem suurem kui pisem mõõteviga, mida füüsikud siiski oskavad usaldusväärseni viia. Kui gravilainete püüdmine muutub erakordsest sündmusest tavaliseks, siis muutub Universum meie jaoks oluliselt läbipaistvamaks nii mineviku ehk Suurest Paugust pärinevate gravilainete suunas, kui tuleviku, mustade aukude tekke ja Universumi piiride suunas. Selgub, et Einsteinil oli õigus ja kosmoloogidel süda rahul.
Kuna gravitatsioon on võrreldes teiste fundamentaaljõududega nii väike ja võib-olla ka erakordne, ei ole seda õnnestunud siduda kvantfüüsikaga, kuigi enamuse oma elust Einstein ja tema järel paljud teoreetikud on seda teha püüdnud. Alates 1960. aastatest on üritatud gravitatsioonilaineid registreerida resonantsete massidetektoritega, ent edutult.
Gravitatsioonilainete püüdmiseks ehitati interferomeeter, mille 1,2meetrise läbimõõduga vaakumtorust ühe õla pikkus on neli kilomeetrit. Sealjuures varustati mõlemad õlad veel resonantse optilise seadmega, mis valguse teed pikendasid. Selliseid interferomeetreid ehitati USAs teadusühenduse LIGO ehk valguse interferomeetrilise gravitatsioonilaine observatooriumi tarbeks kaks tükki: Hanfordi Washingtoni osariiki ja Livingstoni Los Angelese osariiki. Nende vahel liigub valgus ühest teise 7 millisekundiga. See oli tähtis, et mõlema seadme signaale omavahel võrrelda ja signaali saabumise suunda arvutada.

Kes oli esimene leiutaja?
Kole lugu küll, kuid esimeseks leiutajaks ei pruukinud sugugi olla Homo sapiensi eellane, kelle vanimad kivitööriistad on leitud Keeniast Lomerwist ja ulatuvad 3,3 miljoni aasta taha. Tuntuimast inimkonna hällist Oldowanist on leitud 2,6 miljoni aasta vanused teravad kivikillud, mida küllap lõikeriistadena kasutati. 2016. aasta sügisel avaldas ajakiri Nature skandaalse artikli, milles Oxfordi ülikooli teadlane Tomos Proffitt ja tema kolleegid kirjeldavad, kuidas karbusahvid (keda inglise keeles nimetatakse capuchin monkeys ehk kaputsiinlasteks) kive üksteise vastu tagusid ja millest eraldus iidsetele inimese eellastele omistatud kivikildudele üsna sarnaseid kilde. Nõnda teevad Brasiilias Sierra de Capivara rahvuspargis elutsevad ahvikesed inimese eellasega samalaadseid tööriistu. Või kas teevad? Kive kasutavad ju ka näiteks šimpansid. Kas paleontoloogid, kes sadu aastaid on kivinuge seostanud inimeselaadse käe tekkega, jäävad nüüd häbisse?
Küllap siiski mitte, sest kaputsiinlased taovad oma kartulisuurusi kive välja kvartsist, mitte tihedamast basaldist nagu Oldowanis ja mis olulisem – nad ei kasutagi teravaid kivikilde, vaid taovad oma kivid sobivaks, et purustada pähkleid. Nad on teinud seda vähemalt 600 aastat, samas kui šimpanside tööriistadest vanimad on teadaolevalt tehtud 4300 aasta eest. Siiski-siiski: kahtlus nõuab hajutamist.

Kiiremini, kõrgemale, kaugemale
California ülikool teatas äsja, et teadlaste rühm, keda juhib Max Plancki astrofüüsika instituudi teadlane Sherry Suyu, mõõtis senistest täpseimalt Hubble’i konstandi. See üldrelatiivsusteooriast 1927. aastal tuletatud konstant määrab kindlaks meie Universumi paisumise kiiruse. Kasutades Hubble’i taevateleskoobi ja teiste maapealsete ning kosmoseteleskoopide andmeid, mõõtsid astronoomid valgust, mis väga kaugel asuvast kvasarist lähtunult oli oma teekonnal läbinud kolm ülikauget galaktikat, mis valgusvoogu läätsena painutasid. Et galaktikate eri osad muutsid valguse teed erinevalt, mõõdeti Hubble’i konstandiks 71,9 ± 2,7 kilomeetrit sekundis megaparseki kohta 3,8 protsendi täpsusega. Plancki taevateleskoobi konstant, mis arvutati eeldusel, et Universum on lame, on kuus protsenti väiksem. „Võib-olla on tulemuse taga praegu üldtunnustatud standardmudeli ekslikkus,“ pakkus välja California ülikooli professor Ghris Fassnacht.
Universumi lameduse eeldus tähendab seda, et Universumi kõverus on null ning see ei pruugi olla lõpmatu. Sellise Universumi koguenergia on null. Näiteks võib lõplikult lame Universum olla sõõrikusarnane.
Mida see meie jaoks tähendab? Hubble’i konstant annab meile kiiruse kilomeetrid sekundis, millega eemaldub meist megaparseki ehk 3,26 megavalgusaasta kaugusel asuv galaktika. Seega näitab konstandi uus väärtus, et Universum eemaldub meist (paisub) arvatust kiiremini.
Viie aasta eest omistati Nobeli preemia kolmele füüsikule, kes tõestasid, et Universum paisub kiirenevalt. Nende järeldus põhines supernoovade – surevate tähtede – termotuumaplahvatuste mõõtmisel. Seepeale tuli mängu võtta nn tume energia, mis Universumi paisumise hoogu tagant lükkab.
Äsja aga avaldas ajakiri Nature Oxfordi ülikooli professori Subir Sarkari artikli, milles ta, tuginedes varasematest kümme korda suurematele, 740 supernoova vaatlustele kinnitab, et varasem tulemus oli vale ja selle usaldusväärsus vaid 3 sigmat, kusjuures usaldusväärseks peetakse tulemust täpsusega 5 sigmat (see tähendab mõõtmisviga). Sarkari võrdleb olukorda ülemöödunud aasta detsembris CERNi suure hadronite põrguti meeskonna poolt välja kuulutatud raske osakese avastusega, mille täpsuseks nimetati 4 sigmat ja mis andis tõuke 500 teadusartiklile, kuid möödunud aasta augustis saadi täpsuseks vaid 1 sigma. Tähendab see oli vaid statistiline fluktuatsioon, mitte mingi osake.
Siiski, reliktkiirgust mõõtnud Plancki satelliidi tulemused viitavad samuti kiirenevale Universumile. „Tumeenergia põhineb 1930. aastatel väljamõeldud mudelil,“ kinnitab Sarkari ja lisab, et tuleb arvestada: Universum pole homogeenne ja ei käitu nagu ideaalne gaas. Skandaal missugune. Kuid, nagu teaduses ja eriti kosmoloogias, vajab asi edasist uurimist. Meenub meie kuulsa astronoomi Ernst Öpiku kommentaar tumeenergia ja tumeaine kohta: mida ma ei näe ega kuule, seda ma ei usu.

Teleskoopide meeskond minisatelliitidel
Aastaks 2020 ennustatakse, et ühendatud asju saab olema 30 miljardit. Igaüks neist vajab omaenese interneti protokolli ehk IP-aadressi. Asjade internet (IoT) peab selle ajaga küpsema, odavnema, nõudma vähem energiat. Kuid autorid arvavad, et enne küpsemist ei saa me hinnata IoT tegelikku kasu.
Märksa pajutõotavam on ehitada üles asjade internet kosmoses. See võimaldaks loobuda suurtest tähelaevadest ja saata Universumit uurima enam teleskoope. NASA projekteerib ühistöös Lõuna-Korea Yonsei ülikooliga taevateleskoopi, mis on ehitatud üles minisatelliitide paarile. Et ideed katsetada, on ehitatud kaks kuubiksatelliiti, mis liiguksid sünkroonis ja moodustaksid virtuaalse teleskoobi fookuskaugusega, mis võrdub nendevahelise kaugusega. Satelliidid plaanitakse ajakirja Scientific American andmetel lennutada üles juba sel, 2017. aastal. Lähetuse maksumuseks on plaanitud miljon dollarit. Eesmärgiks on piiluda läbi Päikese hiilguse kaugete maaväliste planeetide olemusse.
Kuus kuud kestev lähetus keerulise akronüümiga CANYVAL-X (CubeSat Astronomy by NASA and Yonsey using Virtual telescope ALignment eXperiment) vajab kahe satelliidi äärmiselt täpset koosliikumist, nõnda et nad oleks kogu aeg suunatud oma sihtmärgile. See loodetakse saavutada nende satelliitide vahelise laserkiiresidemega. Sealjuures võib üks satelliit koos seadmetega blokeerida päikesepaiste või kauge tähe heleduse, võimaldades teisel satelliidil oleva kaameraga näha tuhme objekte, nagu Päikese krooni või eksoplaneete.
ESA plaanib aastal 2019 saata 110 miljoni eurose lähetusega Proba-3 orbiidile Päikesele suunatud teleskoobi.
Eesti esimene satelliit, EstCube-1 lennutati orbiidile 7. mail 2013. aastal. Kui ma sellesama rea kirjutamise olin 28. jaanuari pärastlõunal lõpetanud, sain FB kaudu EstCube’i projekti juhilt Mart Noormalt teate, et ESTCube-1 tulemusi kokkuvõttev artikkel ilmus maailma suurima kõrgtehnoloogilise professionaalse organisatsiooni IEEE (Elektri- ja Elektroonikainseneride Instituudi) ajakirjas IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine ning oli 2015. aasta augustinumbri esikaanelooks. Äsja valiti see aasta artikliks. Noorma täpsustab: „Saime Harry Rowe Mimno nimelise 2016. aasta auhinna.“ Ta soovib õnne tudengitele ja eriti artikli esimesele autorile Andris Slavinskisele. „Anname endast parima, et Eestit ja Lätit ja Soomet ja teisi sõpru maailmale tutvustada,“ lubab Noorma ja TM ühineb temaga.

Matemaatilised tippharjutused
Kui teil on 128 tennispalli, siis mitmel eri moel saate need kokku pakkida? Cambridge’i ülikooli matemaatikutel õnnestus arvutite abil vastata: see arv on üks 250 nulliga, mis ületab arvatava algosakeste arvu Universumis.
Imeasi pole mitte see suur arv, vaid fakt, et teadlastel õnnestus vastus leida. See annab lootust, et võime ennustada kõrbete teket ja kunagi tehisintellekti valmis ehitada. Arvutusmeetod kannab nime konfiguratsiooniline entroopia, mis kirjeldab, kui struktuurselt korrastamatud on füüsikalise süsteemi osakesed. Mängud suurte arvudega võivad meile tunduda lapsikud, ent sama lapsik on ju küsida, miks matemaatika üldse loodusseadusi kirjeldab.
Kui me tahame ennustada lumelaviine või kirjeldada lume, pinnase ja liiva liikumist, pole teadmised konfiguratsioonilisest entroopiast sugugi kasutud. Teralistest materjalidest koosnev keskkond on vee kõrval enamlevinud keskkond Maal. Me peame teadma, kui korrastatud on neis sisalduvad osakesed. Jääkuubik sulab temperatuuri tõustes, selle entroopia suureneb ehk korralagedus kasvab. Kuid liivaluited vajavad muutumiseks välist tõuget, mida annavad nt tuul või vesi.
Eestiski on vaja teada lääneranniku liivaluidete liikumist või Narva-Jõesuu rannaliiva stabiilsust. Matemaatikute töö avaldas kõrgelt hinnatud teadusajakiri Physical Review E.
Täisarvude maailma suuremaid mõistatusi on algarvud. Algarv ei jagu miski muu arvuga kui arvuga 1 ja iseendaga. Algarvud esinevad arvureas puhtjuhuslikult, vähemalt pole mingite üldiste reegliteni jõutud. Seepärast otsitakse suurimaid algarve arvutite abil. Milleks neid on tarvis leida? Väga lihtsal, tehnikamaailmas vajalikul põhjusel. Nimelt kuna algarvud esinevad juhuslikult, siis saab neid kasutada eriti lahtimuukimiskindlate krüpteerimissüsteemide aluspõhjana.
Eriliselt hinnatud on topeltalgarvud, mille vahel on vaid üks mittealgarv. Möödunud aasta septembris leiti suurim neist, selle jälile sai algarvude otsimise ülemaailmse arvutisüsteemidega PrimeGrid liitunud Tom Greer. Arv ise on 388 342kohaline ja võrdub: 2 996 863 034 895  x 21,290,000± 1.
Jaanuaris 2017 oli suurim teadaolev algarv 274,207,281 −1, arv, millel on 22 338 618 kohta, leiti samuti kollektiivse arvutisüsteemi abil, umbes nii nagu otsitakse maavälist intelligentset elu. Mistahes arvu saab esitada algarvude korrutisena, need on justkui arvude ehituskivid. Et algarve on lõpmatu hulk, tõestas juba Eukleides umbes 300 aastat eKr.

Meie kodugalaktika täpseim portree
Astronoomid tegelevad Linnutee täpseima portreteerimisega. 2013. aastal ESA poolt lennutatud Gaia tähelaev on viieaastasel lähetusel, et kaardistada taevast täpseimal moel. Lähetuse lõpuks määrab Gaia Linnutee ja lähisgalaktikate umbes miljardi tähe asupaiga nõnda täpselt, et suudab märgata objekte, mille nurkkaugus Maast on viis mikrokaaresekundit. See tähendab, et Gaia näeb objekte, mis paistavad nii suured, nagu Kuul lebav kümnesendine Maalt vaadates. Miljardipiksline kaamera jäädvustab ühtlasi tähe kauguse ja kahemõõtmelise kiiruse. See annab uut teavet tähefüüsikast ja meie galaktika arengust.
Iroonilisel moel ei tea me Linnuteest sama palju kui lähigalaktikatest: ise selles viibides on raskem kogupilti hõlmata. Osa Linnutee tähti on sündinud pisemates galaktikates, mille Linnutee alla neelas. Võib-olla leiab Gaia veel tundmatuid objekte ning märke kosmoloogidele muret tegevast tumeainest. Gaia kaugus Maast on 1,5 miljonit kilomeetrit ning selle kaamerate lahutusvõime on 50 korda suurem Hubble’i teleskoobi omadest. Iga tähte mõõdab Gaia 70 korda.

Lisa kommentaar

Turvaküsimus: *