Suur pauk: universum, mis koosneb vaid 5% ulatuses tavalisest ainest

Kõik, mida saab katsuda, kaaluda või teleskoobiga vaadata — iga täht, planeet ja inimene — moodustab kokku vaid 5% universumist. See ei ole ümardamisviga; see on üks kosmoloogia kõige täpsemini kinnitatud arve, mida on täpsustatud aastakümnete jooksul tehtud mõõtmistega universumi sünnist pärit jääkvalguse kohta. Ülejäänu on tumeaine ja tumeenergia — kaks komponenti, mida astronoomid suudavad täpselt mõõta, teadmata veel, mis need tegelikult on — omapärane kindlustunne: olla kindel, et miski on olemas, ammu enne, kui teatakse, millest see koosneb.

Suur pauk on nimi, mille kosmoloogid annavad kuumale ja tihedale olekule, millest kõik pärineb, umbes 13,787 miljardit aastat tagasi, täpsusega kuni 0,02 miljardit aastat kummaski suunas — märkimisväärselt täpne arv millegi kohta, mis juhtus enne aatomite tekkimist. Selle arvuni jõudmine võttis peaaegu sajandi juhuslikke avastusi, kangekaelseid astronoome ja ühe Belgia preestri väga hea idee.

See juhend käib läbi tõendid: hõngu, mis läbib siiani taevast, seadmed, mis ehitati selle kaardistamiseks, inimesed, kes vaidlesid selle tähenduse üle, ning selle, kui kummaline on tegelikult universumi „majapidamiseelarve".

Umbes 375 000 aastat pärast universumi sündi jahtus see piisavalt, et aatomid saaksid tekkida ja laetud osakeste udu hajuks, lastes valgusel esimest korda vabalt liikuda. See esimene valgus voolab tänaseni üle Maa kosmilise mikrolainelise taustkiirgusena, jõudes meieni korraga kõikidest suundadest.

See ei ole täiesti ühtlane. Satelliidimõõtmised on näidanud, et ühe taevalapi temperatuur on 2,7251 kelvinit, teise oma aga 2,7249 kelvinit — vahe on kaks kümnetuhandikku kraadi. See väike ebaühtlus oli täpselt see, mida kosmoloogid vajasid: ilma selleta poleks gravitatsioonil olnud millestki lisaks kinni haarata ning aine poleks pruukinud kunagi galaktikateks kokku kogunedagi. Nende pisikeste kõikumiste piisavalt täpseks kaardistamiseks kulus aastakümneid ja mitu põlvkonda kosmoseaparaate, millest igaüks jälitas eelmisest nõrgemat signaali.

1. aastal püüdsid Bell Labsi raadioastronoomid Arno Penzias ja Robert Wilson oma antenniga kinni nõrga, ühtlase sumina, mis ei kadunud, olenemata sellest, kuhu poole nad antenni suunasid. Nad ei otsinud universumi sündi — nad üritasid leida seadmete müra allikat ning see „müra" osutus lõpuks kosmiliseks taustkiirguseks endaks. See on üks teaduse ebatõenäolisemaid avastuslugusid: kümnendi suurim kosmoloogiline leid ilmus riketeks maskeerituna.

Neliteist aastat hiljem, 1978. aastal, said mõlemad selle avastuse eest Nobeli füüsikaauhinna, mis andis kosmoloogiale seni kõige tugevama tõendi, et universum sai alguse kuumast ja tihedast olekust, mitte ei püsinud igavesti muutumatus seisundis.

Penziase ja Wilsoni antenn suutis kinnitada, et taustkiirgus on olemas, kuid ei suutnud näidata, milline taevas üksikasjalikult välja näeb. Selleks olid vaja spetsiaalsed kosmoseaparaadid: NASA Cosmic Background Explorer tuvastas 1992. aastal nõrku temperatuurikõikumisi laiadel taevaaladel ning Wilkinsoni mikrolainelise anisotroopia sond teravustas seda pilti hiljem esimeseks kogu taeva kaardiks, mille lahutusvõime oli vaid 0,2 kraadi.

Füüsik Adam Riess, kes jagas hiljem 2011. aastal oma Nobeli preemiat sellega mitteseotud töö eest kosmilise kiirenemise vallas, võttis missiooni mõju lihtsalt kokku: see oli toonud kosmoloogiasse täpsuse ning valdkond ei näinud kunagi enam endisena välja. Nii üksikasjalik kaart muutis suure paugu toorest visandist millekski, mis sarnanes pigem inseneriprojektile — arvudega, millele teised teadlased said tõesti edasi ehitada.

Ammu enne kui keegi oli kuulnud kosmilisest mikrolainelisest taustkiirgusest, olid vihjed juba tavalises tähevalguses olemas. 1912. aastal suunas Vesto Slipher oma spektrograafi sellele, mida siis nimetati spiraalseks uduks, ja märkas midagi kummalist: peaaegu kõik neist kihutasid Maast eemale.

1. aastate lõpuks oli Edwin Hubble muutnud selle kummastuse mustriks, näidates, et kauged galaktikad taganevad igas suunas — täpselt nii, nagu ennustasid Einsteini enda võrrandid juhul, kui ruum ise venib. See polnud niivõrd üks ainus „avastuse" hetk, kuivõrd aastatepikkune tõendusmaterjal, mis vaikselt osutas samasse suunda, kusjuures suurema osa varasest põhitööst tegid ära Slipheri spektrid, millega Hubble'i nimi lõpuks seostati.

Georges Lemaître, Belgia füüsik ja katoliku preester, jõudis iseseisvalt sarnasele järeldusele. 1931. aastal esitas ta hüpoteesi, et universum sai alguse sellest, mida ta nimetas „algaatomiks" — ideest, millest kasvas lõpuks välja tänapäevane suure paugu mudel.

Lemaître'i jälg ulatub veelgi kaugemale kui too kuulus artikkel. Kõige esimene andmepunkt selle taga, mida praegu nimetatakse Hubble'i konstandiks — arv, mis kirjeldab, kui kiiresti universum paisub —, pärines tegelikult tema 1927. aasta artiklist, mis tugines galaktikate kaugustele, mida Hubble ise oli mõõtnud ja avaldanud. Ajalugu andis konstandile lõpuks nime selle inimese järgi, kes kaugused esitas, mitte preestri järgi, kes kandis need esimesena kiiruse vastu graafikule.

Kui liita kokku iga täht, planeet, kuu ja inimene, moodustavad tavalised aatomid siiski vaid umbes 5% universumi massist ja energiast. Ülejäänu jaguneb kahe komponendi vahel, mis ei kiirga üldse valgust: tumeaine, mille osakaal on 27%, ning tumeenergia, mis domineerib 68%-ga.

Kumbagi pole otseselt tuvastatud. Tumeaine tuletatakse selle gravitatsioonist — see hoiab galaktikaid koos palju tugevamalt, kui nende nähtav aine üksi suudaks — samas kui tumeenergia tuletatakse asjaolust, et universumi paisumine jätkuvalt kiireneb, mitte ei aeglustu. Tavaline aine, perioodilisustabeli aine, osutub olema oma universumi vähemusaktsionär — fakt, mille kindla tõestamiseni jõudmiseks kulus peaaegu terve sajand mõõtmisi.

Umbes esimese 20 minuti jooksul pärast suurt pauku olid tingimused piisavalt kuumad ja tihedad, et prootonid ja neutronid hakkaksid ühinema universumi esimesteks kergeteks tuumadeks — vesinik-2, heelium-3, heelium-4 ja liitium-7. See protsess, mida nimetatakse suure paugu nukleosünteesiks, on põhjus, miks perioodilisustabel sisaldas sisuliselt juba heeliumit ammu enne, kui esimenegi täht süttis.

Astronoomide hinnangul jätsid universumi kõige esimesed tähed Päikese oma varju: nad olid umbes 30 kuni 300 korda massiivsemad ja säraisid miljoneid kordi eredamalt — hiiglased võrreldes meie enda päikesesüsteemi keskse tähega.

See osa universumist, mis jääb meie teleskoopide haardeulatusse, on üsna ühtlaselt täidetud galaktikatega igas suunas, ulatudes üle 10 miljardi valgusaasta kaugusele — umbes 6 sekstiljonit miili Maast. Sellest piirist kaugemal pole valgusel lihtsalt veel olnud aega Maani jõuda — see ei tähenda, et universum seal lõpeb, vaid ainult seda, et meie vaade sellele lõpeb seal.

Selle ulatuse kõige kaugemate leitud objektide seas on GN-z11 — galaktika, mille jäädvustas Hubble'i kosmoseteleskoop 2016. aastal punanihkega umbes z≈11,1, nähtuna sellisena, nagu ta nägi välja umbes 400 miljonit aastat universumi ajaloo algusest — hetketõmmis ajast, mil kosmos oli alles väike osa oma praegusest vanusest. Iga fakt selles juhendis, alates New Jersey antennist kuni tänaõhtuse taevas oleva hõnguni, on tegelikult üks pikk argument sama järelduse kasuks: universumil oli algus ja tõendid selle kohta saabuvad siiani.

• WMAP ülevaade - NASA Science
• Suur pauk - NASA Science
• Hubble'i konstant
• Lühivastused kosmilistele küsimustele
• Vikipeedia: Suur pauk
• Vikipeedia: Kosmiline mikrolaineline taustkiirgus
• Vikipeedia: Suure paugu nukleosüntees
• Vikipeedia: Universumi kronoloogia