"Tume aine" - referaat (0)

Sisukord

Sisukord 1
Sissejuhatus 2
Kokkuvõte 7
Lisad 8
Lisa 1. Galaktikaparvega MACS J0025.4- 1222 toimunud kokkupõrge on eraldanud vesinikgaasi (punane) galaktikatest. Viimastega koos on liikunud ka tumeaine , summaarse massijaotuse (sinine) põhikomponent. (Allikas: NASA/ESA/M.Bradac/S. Allen ) 8
8
Lisa 2. Jaan Einasto 8
8
Kasutatud allikad 9

Sissejuhatus

Teadaolevalt koosneb universum kolmest mateeriatüübist. Esimene neist on barüonaine ehk aine, mida on kõikjal meie ümber. Teine on tume aine ning kolmas tume energia. Viimased kaks ainet on inimkonna jaoks veel üsna salapärased ning nendest teatakse veel vähe. Tumedaks kutsutakse neid ained seetõttu, et neid pole teleskoopidega otseselt võimalik vaadelda. Ka tõendeid nende olemasolu kohta on vähe. Tumeda aine avastamisel oli ka suur tähtsus Eesti astrofüüsikutel, kes tõestasid selle aine olemasolu.
Järgnevas töös püüan anda lühikese ülevaate tumeda aine avastamisest ja selle olemusest. Kuigi koheselt võib öelda, et tume aine on oma olemuselt meie jaoks veel võõras.
Tumeda aine avastamine
Esimesena viitas tumeda aine olemasolule füüsik Albert Einstein, eelmise sajandi alguses, kes küll ei suutnud selle olemasolu tõestada. 1933. aastal püüdis Šveitsi astrofüüsik Fritz Zwicky tõestada musta aine olemasolu. Esimesed tumeda aine teemalised artiklid ilmusid 1974. aastal, üks neist Eesti autoritelt ( Einasto, Kaasik , Saar ). Tumeda aine teooria tõestamiseni jõudis rahvusvaheliselt tunnustatud Eesti astrofüüsik ja akadeemik Jaan Einasto, keda võib pidada tumeda aine ja universumi kärjekujulise struktuuri avastajaks. Koos kolleegidega suutis ta tõestada, et galaktikate ümber on tume aine, mille mass ja raadius on kümme korda suurem nähtavate galaktikate omast. Ühe Einasto rühmas töötava astronoomi, M. Jõeveeru, ettepanekul võeti galaktikate ja galaktikaparvede ruumilise jaotuse uurimisel kasutusele nn. kiildiagrammid ning see meetod on muutunud nüüd üldkasutatavaks galaktikaparvede ruumilise jaotuse uurimisel. 1975. aastal toimus Tallinnas esimene ainult tumeainele pühendatud teaduskonverents kogu maailmas. 2007. aastal anti J.Einasto juhitud teaduskollektiivile, kuhu kuulusid veel Maret Einast, Enn Saar ja Erik Tago , Eesti Vabariigi Teaduspreemia teadusharu paradigmat ja maailmapilti mõjutava väljapaistva avastuse eest teemal: „Tumeaine avastamine galaktikate ümbruses ning universumi kärgstruktuur“.
Viimastel aastatel on käivitunud väga laiaulatuslik vaatlusprojekt, nimega COSMOS. Selles osaleb ligi 100 teadlast 12 riigist. Vaatlust teostatakse kosmoseteleskoopide ( Hubble, Spitzer, GALEX, XMM, Chandra ) ja suurte maapealsete teleskoopide ( Subaru , VLA, ESO-VLT jm ) abil. Hubble mõõtis gravitatsiooniläätse efekti, Subaru ja VLT punanihke ehk kauguse ning röntgenteleskoop kuuma röntgengaasi jaotuse galakikaparvedes, mis on tavalise aine suurim osa universumis. Teleskoopide abil on mõõdistatud kujutletav 2 ruutkraadiline ekvatoriaalne ala ehk vaadeldav ala ei ole kujutatud pildina, vaid see on ruumiline. COSMOS-es rakendatakse tööle gravitatsiooniläätsed, mis on ainuke kindel vahend, musta aine omaduste uurimiseks.
Kujutise ehitamisel kasutati esimesena Albert Einsteini poolt ennustatud fenomeni, mille puhul kaugetest galaktikatest pärit valgus murdub teel vastu tulevate mateeriate gravitatsiooni mõjul. Teadlased kogusid murdunud valguskiirte jälgi, mis pärinesid 500 000 kaugest galaktikast, mille mõnede vanus võib olla kuni 7 miljardit aastat, ning panid selle abil kokku kujutise massist, mis teleskoobis on nähtamatu.
Uuringutest saadud tulemus näitab, et on kohti kus tume aine on olemas, aga tava-ainet ei ole. Seda on võimalik seletada, näiteks esimeste supernoovade abil, mis suurema osa tava-ainest (gaasist) plahvatuse lööklainega minema surusid. Tume aine jaotus klombiliselt ja piirkonniti erinevalt, lisaks on leitud sarnast jaotust erinevatel kaugustel. See tähendab, et Universumi vanus on erinev. Vaatluste põhjal saab öelda, et varasemas universumis paiknes tume aine ühtlasemalt, mis kinnitab, et varasem „kuuma“ tumeda aine teooria ei pea paika. „Kuuma“ tumeda aine teoorias arvati, et tumeda aine kandja on hiljuti avastatud osake – neutriino . Samuti, nagu arvatakse, et on olemas tumeda aine kuhjumid, on olemas ka tavalise aine kuhjumid, millega samas ruumiosas koos tumedat ainet ei ole. Kuigi varasemalt oli teada tavalise aine paiknemine galaktikas, siis nüüdsest nähti, et tume aine paikneb hoopis korrapäratult. Lisaks avastati üle 2 miljoni galaktika, 75% universumi olemasolu ulatuses.
Kosmoses liikuvat antiainet uuriv satelliit PAMELA on avastanud antielektrone ehk positrone, mis väidetavalt võivad endast kujutada esimest otsest tõendust universumit täitva seni vähe tuntud tumeda aine kohta ja anda aimu selle loomusest. Martti Raidal Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituudist väitis, et tõenäoliselt on tehtud avastus, mis näitab universumis ringi lendavate tumeda aine osakeste lagunemist. Lisaks ütles ta veel, et ilmselt on kinni püütud tumeda aine lagunemise produktid ja on väga tõenäoline, et nende põhjal saab tumeda aine olemuse kindlaks teha. Ta arvab veel, et PAMELA on avastanud teatud energiatel ülemääraselt palju positrone, mida võib tõlgendada kui tumeada aine lagunemise jääke. Kuigi need on hetkel veel tõestamata andmed, saab lähiajal teada, kas see avastus leidis kinnitust või mitte.
Mis on tume aine?
Tumeda aine olemasolule viitab galaktikate pöörlemine, nende kiire liikumine galaktikaparvedes ning ülikuuma gaasi kuhjumine parvedesse. Tume aine on aine, mille heledus on nullilähedane ja mis on vaatlustele kättesaadav vaid gravitatsiooni kaudu.
Kõik struktuurid (tähed, galaktikad jm) saavad alguse esialgselt väga väikestest tiheduse häiritustest ehk virvendustest. Väga kaua aega tagasi ei saanud need tihedushäiritused areneda ega kasvada, sest intensiivne kiirgus pühkis tekkivad struktuurialged laiali. See tulenes universumi kuumusest. Tihendid , millest hiljem kujunesid tähed, galaktikad ja teised taevakehad , said hakata arenema alles siis, kui universum oli paisumise tagajärjel jahtunud nii palju, et muutus neutraalseks ja kiirgus ei takistanud enam tihendite arengut. Nende tihendite areng nägi välja sellline, et tugevama külgetõmbe tõttu koguneb aine sinna, kus seda juba on. Seal kus on ainet vähem, sealt imetakse seda välja. Sellise struktuuri välja arenemiseks pidid algsed häiritused väga suured olema, sest taoline protsess on väga aeglane. Need nn. häiritused avalduvad algsest kuumast universumist meile jõudvas kiirguses – footonkiirguses. Footonkiirguse virvendused on nii väikesed, et struktuuri ei saa neist tekkida, kuna tema osakesed hajuvad nii laiali, et aine ei suuda enam kokku koguneda. Seega arvatakse olevat struktuuride algmeks tume aine ehk mittebarüonaine. Barüonaine on tavaline aine, mis koosneb aatomitest, molekulidest ja teistest tuntud ainetest. Sellest ainest koosnevadki planeedid , tähed, elusloodus ja üldse kõik nähtav, mis meid ümbritseb. 1980. aastaks oli juba avastatud aine nimega neutriino, mis ei kuulu tavalise aine hulka. Neutriinod on kiirgusega seotud niivõrd nõrgalt, et nendest koosnevate tihendite areng sai alata palju varem, kui universum oli veel nii kuum, et tavalise aine tihendite areng oli võimatu. Neutriinodest oli võimalik luua tihendid, millesse tõenäoliselt langes tavaline aine kokku, pärast universumi mahajahtumist. Sellisest teooriast räägiti esimest korda Tallinna konverentsil 1981. Konverentsil sai selgeks, et tumedat ainet on vaja, et tänapäeval tuntud ainevormid saaksid välja areneda. Praeguseks on teada, et need neutriinod ei saa olla tumeda aine kandjateks, sest nad liiguvad liiga kiiresti – praktiliselt valguse kiirusel. Nad saavad moodustada vaid väga massiivseid struktuure nagu superparved. Pole võimalik, et neutriinodest on arenenud galaktikate ümber olevad tihendid. Seega peab tume aine koosnema mingitest teistest senitundmatutest osakestest.
Projekti COSMOS abil on kaardistatud tume aine suures osas universumis. Kaardistamine on olnud võimalik eelkõige seetõttu, et tume aine avaldab ennast gravitatsioonilises vastasmõjus nähtava ainega. Lisaks kallutab tume aine valguskiiri kõrvale sirgelt teelt. Sellist nähtust nimetatakse gravitatsioonilise läätse efektiks . See avaldub kõikjal, kus on nii tumedat kui ka tavalist ainet ja kus liigub ka valguskiiri. Läätsedeks saab pidada galaktikaid, tähti, musti auke, tumedat ainet ja teisi taevakehi. Need kõik kallutavad valguskiiri. Mida massiivsem on see nn. lääts ja mida lähemalt kiir läätsest möödub, seda rohkem kiir kõrvale kaldub .
Kui tavaline aine, millest koosnevad tähed, planeedid ja inimesed, moodustab ainult umbes 4% kogu universumi massist, siis tumedat ainet on maailmakõiksuses 20%. Ülejäänu on tume energia, mis ei ole aine.

Kokkuvõte

Tume aine on silmale nähtamatu ja mõõteriistadele mõõtmatu aine, mille olemasolust teatakse ainult tema gravitatsioonilise mõju põhjal tähtedele, galaktikatele ja muule nähtavale ainele. Selle olemasolust teatakse, kuid endiselt ei suudeta selgitada, mis see tegelikult on. Siiski on jõutud arvamusele, et tume aine näib moodustavat nähtamatut skeletti, mille ümber nähtav universum paikneb. On ka jõutud järeldusele, et tume aine on üheks algaineks, milleta poleks võimalik universumi teke.
Väga tähtsaks peaks pidama ka Eesti teadlaste uuringuid , seoses tumeda ainega. Nende poolt tehtud töö on tähelepanu pälvinud nii Eestis kui ka mujal maailmas.
Referaadis püüdsin teha lühikese ülevaate tumeda aine kohta. Kuigi palju sellest ei teata, on siiski midagi siia toodud. Loodame, et lähitulevikus saame selles vallas veel targemaks.

Lisad

Lisa 1. Galaktikaparvega MACS J0025.4-1222 toimunud kokkupõrge on eraldanud vesinikgaasi (punane) galaktikatest. Viimastega koos on liikunud ka tumeaine, summaarse massijaotuse (sinine) põhikomponent. (Allikas: NASA/ESA/M.Bradac/S.Allen)

Lisa 2. Jaan Einasto

Kasutatud allikad

Hektor, A. Tants tumeaine ümber. http://www.horisont.ee/node/1004 .
Pitsner, I. Tumeda aine avastaja . http://www.naistemaailm.ee/artikkel.php?id=14075&hi=eesti+muusika+kevad .
Bradac, M. / Allen, S. A Clash of Clusters Provides New Clue to Dark Matter . http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2008/32/ .
COSMOS. http://cosmos.astro.caltech.edu/index.html .
Jaan Einasto. http://et.wikipedia.org/wiki/Jaan_Einasto .
Haak, H. Teadustöö korraldus ja meetodid. http://www.lr.ttu.ee/oppetoo/hhaak/TKM%202-08.pdf .
Jüriso, K. Astronoomid koostasid kosmose "tumeda aine" kujutise. http://www.eesti.ca/index.php?op=article&articleid=15035 .
Pelt, J. Tume aine – vaade tagasi. http://www.horisont.ee/node/44 .
Ennet , P. Tumeda aine jäljed üles võetud? http://www.horisont.ee/node/631 .
Tartu Observatoorium. http://www.aai.ee/gal/est/Mj.html .
9