"Räägime ülikaugetest galaktikatest, mis moodustusid kõige rohkem 300–400 miljoni aastaga, ilmselt kiiremini kui elu Maal. Miljard aastat pärast Suurt Pauku on neist mõned sama suured kui meie Linnutee. Vähemalt praegu ei suuda kogukond hästi seletada, kuidas taolised väga heledad galaktikad üldse tekkida said," tõdes Hardi Veermäe, keemilise ja bioloogilise füüsika instituudi (KBFI) vanemteadur. Vaatlustulemuste põhjal arenesid need tänapäevatest galaktikatest kümmekond korda kiiremini.

Universumi olemus

Valguse lõpliku liikumiskiiruse tõttu võimaldavad nii kauged objektid öelda midagi ja selle kohta, milline nägi välja universum oma algusaegadel. See omakorda kujutab ühte võtit maailmakõiksuse kui sellise kirjeldamiseks.

Kosmoloogide kogukonnas ühe populaarsema lambda-CDM mudeli kohaselt on universum lame ning ligi 85 protsenti selles leiduvast ainest külm ja tume ehk liigub valgusest palju aeglasemalt ja mõjutab inimesele tajutavat ainet vaid nõrgalt. Samas lendaksid ilma selle lisamassita laiali paljud galaktikad. Kõige selle taustal paisutab lisaks universumit kiirenevas tempos tumeenergia, mille olemuse kohta teatakse veelgi vähem.

Esimesi nähtava universumi piiril asuvaid galaktikaid märkasid astronoomid juba ligi 30 aastat vaatlusi teeninud Hubble'i kosmoseteleskoobiga. Neist kaugeim, 2016. aastal pilku püüdnud GN-z11 eksisteeris vähemalt 400 miljonit aastat pärast universumi sündi.

Käputäie pikslitena paistev kogum oli oma suuruselt samas liiga tilluke, et äratada teadlastes tungivat vajadust ΛCDM mudeli täiendamiseks. Kordades tundlikuma Webbi teleskoobi andmete valguses ei saanud aga enam ülikaugeid galaktikaid eirata. Juba teleskoobi esimestel vaatluskuudel tehtud ülesvõtted näitasid, et neid on palju rohkem ja need on oodatust eredamad.

Teadlased tormasid seepeale vastuolule selgitust otsima. "Alguses olid need ideed väga spekulatiivsed. Praeguseks on aga selge, et see probleem ei kao mitte kuhugi. Sellele lahenduse otsimisega tegeletakse mitmetes töörühmades," meenutas Martti Raidal. Eesti teadlased hakkasid selle kallal tõsisemalt pead murdma möödunud aasta suvel. Oktoobriks-novembriks oli selge, mida täpselt nende ideid kirjeldavasse artiklisse kirja panna.

Füüsikud nentisid samas, et varajases universumis toimuva selgitamiseks kipub olema teoreetikutel tegevusruumi isegi liiga palju. "Kui vaatame madala punanihke universumit, siis on kõik struktuurid väga mittelineaarsed. Astrofüüsika on keerukas ja sealt tekkemehhanismide välja võlumine väga raske," sõnas KBFI vanemteadur Gert Hütsi. Teisisõnu on üksikasjadesse minnes raske eristada, milline sündmusahel täpselt millegi taga oli. Samal ajal võib isegi väike muutus algtingimustes tingida lõpptulemis ootamatult suure muutuse ja vastupidi.

Suuremad ja väiksemad ideed

Eesti teadlased pakuvad ülikaugete galaktikate massi ja ereduse selgitamiseks välja kaks tumeaine kandidaati. Olulisena mõjutaksid need maailmakõiksuse arengut märgatavalt vaid selle nooruspäevil. "Muudame lambda-CDM mudelit varajases universumis, aga tänapäeva kohalikus universumis ei pea olema nende tõttu midagi teistmoodi. Näeksime sellise tumeaine olemasolule viitavaid tõendeid ülikaugete eredate galaktikate, ent ka gravitatsioonilainete näol," sõnas Hardi Veermäe.

Täpsemalt kujutab esimene tumeaine kandidaat endast ürgseid musti auke. Sedasorti tumeainet on võimalik tekitada teatud varajases universumis toimunud protsesside kohendamisega. Näiteks sobib selleks ilmaruumi hetk pärast selle tekkimist hüppeliselt paisutanud inflatsioon. "Saame sinna väikese triki juurde panna, et see tekitaks samal ajal ka häiritusi, mis võivad kukkuda kokku mustaks auguks," selgitas Martti Raidal. Need kujutaks seemet, millest saaksid võrsuda suuremad struktuurid – nähtud galaktikad ja supermassiivsed mustad augud.

Taoline tumeaine aitaks lahendada teisegi suure mõistatuse. Sarnaselt argielus nähtavale järgib ilmaruumi struktuuride kasv suuresti lihtsat reeglit – kellel on, sellele antakse juurde. Mida raskem on mingi objekt, seda suurem on selle raskusväli ja seda rohkem ainet suudab see tulevikus enda juurde meelitada, millega kasvab omakorda selle mass. Nõiaring toidab end ise.

Galaktikate keskmes asuvad supermassiivsed augud on aga isegi liiga rasked. Kui tahta kasvatada Päikesest üheksa suurusjärku raskemaid musti auke, alustades tähtedega võrreldava massiga kehadest, jääb puhtalt ajast puudu. Siinkohal olekski abi ürgsete mustade aukude pakutavast lisatõukest.

Seejuures piisaks juba sellest, kui need moodustaksid tumeainest vaid väikese osa. "Ülempiirina võiks olla sellise tumeaine mass kogu tumeainest moodustada umbes ühe miljardiku. Tumesektor tervikuna ei pruugi olla väga lihtne ja kogu tumeaine ühte tüüpi," sõnas Gert Hütsi.

Teise idee kohaselt kiirendaks galaktikate kasvu hajus tumeaine. "Võrreldes elektroniga on need osakesed sedavõrd kerged, et nende asukohta pole võimalik määrata isegi väiksema galaktika ulatuses. See on määramatuse printsiibi alusel määritud ruumis laiali umbes samal viisil kui elektron aatomi ümber," selgitas Veermäe.

Erinevalt tillukesest aatomist ulatub laiali määrimise skaala aga ühe kiloparsekini. Võrdlusena asub Maa Linnutee keskmest umbes kaheksa kiloparseki kaugusel. Hajusa tumeaine olemasolu kui selline pole seejuures uus idee. Aastate eest arvati, et tavaline Λ-CDM mudel jääb hätta väikeste galaktikate massijaotuse selgitamisel. Hiljem sai selgeks, et ennustusi saab nähtavaga kooskõlla viia ka tavalisema astrofüüsika abil.

Popperi unistus

Füüsikud rõhutasid, et nende välja pakutud selgitused pole sugugi ammendavad ega pretendeeri lõplikule tõele. Pigem tuleks vaadata nende tegevust selle suunas liikumisena, mida kannustavad uued andmed. Muust maailmast eraldatud toas üha uute ja ulmelisemate ideede välja mõtlemise asemel teeb Hardi Veermäe kolleegidega ennustusi, mille ümberlükkamisel saaks kõrvale heita terveid ideerühmi.

Seeläbi võib füüsikateoreetikute argipäeva võrrelda peene aednikutööga. "Kuna me pole tumeainet veel avastanud, toimub praegu üks suur teooriapuu pügamine ja lõikame sellest järjest harusid maha. Kui inimene on piisav loov, suudab ta ühe lõikega välistada terve hulga mittetöötavaid teooriaid," laiendas Veermäe oma mõtet. Paremal juhul on juba olemas ka instrumendid, mille vaatluste toel seda teha saab. Sama loogika kehtib näiteks ürgsete mustade aukude puhul.

"Me ei pea ürgseid musti auke parimaks võimalikuks kandidaadiks, vaid meil avanes nüüd võimalus neid piirata. Kui suudame öelda, et tumeaine ei ole ürgsed mustad augud, oleks juba see suur edasiminek," sõnas Veermäe. Võtmerolli mängiks eejuures pakse tolmu- ja gaasipilvi vaevata läbida suutvad gravitatsioonilained.

Ehkki juba lähiaastatel suudab neid üle planeedi märgata käputäis observatooriume, saabub selles vallas suurem läbimurre järgmise kümnendi keskpaigas. Siis saadetakse orbiidile esimesed kosmosepõhised observatooriumid, nagu LISA.

Hajusale tumeainele tõmbaks aga praeguse arusaamise järgi kriipsu peale näiteks pöörleva musta augu nägemine. "On teatud nähtused, mis võimaldavad isegi seda tüüpi osakeste olemasolu kontrollida. Hajusast tumeainest koosnev pilv paneks musta augu seisma," märkis Martti Raidal.

Isegi juhul, kui nende konkreetsete kandidaatide olemasolu kinnitada või välistada suudetakse, jätkub füüsikutel maailma tumedama poole kaardistamiseks veel aastateks tegevust. "Tumeaine moodustavate osakeste mass võib erineda kokku 80–90 suurusjärku ja eri massivahemike läbi kammimiseks on vaja erinevaid eksperimente," tõdes Gert Hütsi.

Suuruselt teiste elementaarosakestega võrreldava tumeaine märkamiseks võib piisata poolest tonnist väärisgaasist,. Päikesesüsteemist läbi lendava tume-asteroidi tabamiseks vajalikku tehnikat on samas juba raskem isegi ette kujutada.

"See on nagu malemäng ja võime ajada ideid lõputult keeruliseks, aga füüsikas on oluline leida uus tulemus nagu praegu. See ei ole enam teoreetiline mäng, vaid meil on võimalik teatud piirid peale panna. Alles siis kui näeme, et kõige lihtsam teooria enam ei tööta, on mõtet hakata sinna kellasid ja vilesid juurde pookima," sõnas Raidal.

Samal ajal näitab vaid aeg, kas James Webbi teleskoobi leitud galaktikatest piisab tõesti klassikalise lambda-CDM mudeli lõhkumiseks. Nii on vahepeal vähemalt ühe USA töörühma superarvutil jooksutatud simulatsioonid viidanud, et GN-z11'st veidi tuhmimate ja väiksemate galaktikate moodustumiseks võib kuluda paremal juhul alla 300 miljoni aasta. Samas puuduksid neis galaktikates raskemad elemendid ehk need koosneksid hiiglaslikest esimese põlvkonna tähtedest.

Universumi esimeste galaktikate massist ja eredusest parema ülevaate saamine sõltub eeskätt James Webbi teleskoobiaega jagava hindamispaneeli lahkusest. Nii keskenduks üks kavandatud vaatluskampaaniatest WDEEP kõige rohkem 300 miljonit Suurt Pauku olemas olnud tähekogumite otsimisele. Samas konkureerivad kevadel sama vaatlusaja nimel kümned ja kümned teised ettepanekud, millel pole Λ-CDM mudeli saatusega midagi pistmist.

KBFI teadlaste töö ilmus ajakirjas Physical Review D.