Pealeht » Kosmosest » Üldiselt » kosmos - mis see on?
Prindi

Kosmos, mis see on

Sõna "kosmos" on pärit kreeka keelest, kus ta tähendab maailma, täpsemalt korrastatud maailma. Tavakasutuses tähendab kosmos väljaspool Maad asuvat maailmaruumi. Kosmosena võidakse käsitleda kas Maa-lähedast ruumi, suhtelist tühja tähtedevahelist ruumi või galaktikate vahelist ruumi või hoopis kõike, mida meie universum sisaldab. Seega nii ainet kui energiat, sealhulgas mõistagi ka Maad. Viimases, kõikehõlmavas tähenduses on sõna "kosmos" samane sõnaga "universum".

Selleks, et meid ümbritseva ilmaruumi mõõtmatusest veidigi paremini ettekujutust saada, peaksime alustama kujuteldavat teekonda ülespoole koduplaneedi Maa pinnalt. 

Maa atmosfäär. Juba 5 km kõrgusel tekivad meil raskused normaalselt hingamisega, kuna õhuke atmosfäär Maa ümber hõreneb eksponentsiaalselt. 100 km kõrgusel (Karmani joonel) on välisõhu osakeste tihedus umbes 7 suurusjärku väiksem võrreldes maapinnaga ja lennuk peab õhus püsimiseks lendama vähemalt esimese kosmilise kiirusega, mis on sellisel madalal orbiidil umbes 27 000 km/h. Ometi on 100 km kõrgusel õhutihedus piisavalt suur, et ilma mootorite poolt tekitatava tõukejõuta ei jää keha orbiidile kauaks tiirlema, vaid kukub hõõrdumise tagajärjel, olenevalt tema tihedusest, kas mõne tunni või päevaga maapinnale siiski tagasi. 

Kosmose ametlikuks piiriks on rahvusvaheliselt kokku lepitud 100 km, kus lõpevad riikide õhuruumid ning kõik sellest kõrgemale lennutatud objektid tuleb kooskõlastada mitte enam ülelennatavate riikide lennuliiklusteenistustes vaid ÜRO-s Väliskosmoseasjade Büroo UNOOSA kosmoseobjektide registris. 

Atmosfääri piiriks on kokkuleppeliselt 36 000 km. See tähendab, et kosmos algab madalamalt kui atmosfäär lõpeb. Kuna atmosfäär hõreneb sujuvalt ja ametlik kosmose piir on tõmmatud juba 100 km-ni, ei sobi selline järsk piiritõmbamine teadlastele, kes peavad pidevalt läbi viima ülitäpseid arvutusi paljudes kosmose ja atmosfääriga seotud valdkondades. Sellepärast peeatkse atmosfääri ametlkikuks piiriks geostatsionaarset orbiiti 35 786 km maapinnast. Samuti kutsutakse seda Clarke'i orbiidiks, ulmekirjanik Arthur C. Clarke’i järgi. Sellel orbiidil vastab välisõhu tihedus praktiliselt avakosmose tihedusele, olles absoluutse vaakumi lähedane - umbes 12 suurusjärku hõredam kui maapinnal. Sellel orbiidil tiirlemise kiirus vastab täpselt Maa pöörlemiskiirusele, mistõttu Clarke'i orbiidile paigutatud satelliidid saavad Maale tele- ja raadiosignaale edastada nii, et vastuvõtjad ei pea oma antenne pidevalt liigutama. Kord soovitud satelliidile suunatud, võivad need aastakümneid liikumatult signaali vastu võtta. See ongi põhjus, miks geostatsionaarse orbiidi asukohaõigus satelliidile koos sealt signaali edastamise õigusega Euroopa, Ameerika ja Aasia mandrite kohal on üheks kallimaks immateriaalseks varaks maailmas, mida regulleerib omakorda Rahvusvaheline Telekommunikatsiooni Liit ITU.

Avakosmose keskkond on väga karm ja see sisaldab lisaks vaakumile ja kaaluta olekule ka veel tugevat radiatsiooni, mida leidub seal alates väikese energiaga osakestest ja Päikeselt lenduvatelt keskmise energiaga osakestest kuni tugeva ja ülitugeva galaktilise kosmilise kiirguseni välja, mille algupära suhtes vaidlevad teadlased tänapäevani. Tugevaima galaktilise kiirguse laetud osakeste energialaeng ulatub gigaelektronvoltidesse, kuid on registreeritud isegi üksikuid kuni 1020 GeV laenguga osakesi. Nii tugeva energiaga osakesed võivad tekitada jäädavaid kahjustusi nii elektroonikaseadmetele kui bioloogilistele organismidele, kui nende mõjusfääris veedetud aeg on liiga pikk. Samuti pole veel avastatud piisavaid tehislikke meetmeid kaitseks nii tugeva kiirguse eest. Nõrgad kaitsemeetmed teevad siin olukorra isegi hullemaks, kuna sellisel juhul ei läbista ülikõrge energiaga algosake objekti mitte puhtalt, vaid killustub kaitsebarjääri läbides paljudeks madalama energiaga radioaktiivseteks osakesteks.

Õnneks on meie koduplaneeti õnnistatud kosmoses kaugeleulatuva magnetvälja ning suhteliselt tiheda atmosfääriga, mis enamuse kosmilistest kiirgustest kinni peavad ja seega elu Maal üldse võimalikuks teevad. See on aga suureks probleemiks näiteks Kuu pinnal, kus puudub atmosfäär. Seetõttu on sealne, hästi abrasiivne pinnasematerjal väga tugeva staatilise laenguga ning kleepub tugevasti madalama laenguga pidadele, põhjustades palju peamurdmist näiteks inseneridele, kes peavad projekteerima sellisesse keskkonda töökindlat tehnikat ja ka astronautide kaitseriietust. Satelliitide puhul on samuti kosmoses lenduvad elementaarosakesed ning mikro-objektid suureks probleemiks. Näiteks isegi laenguta osakesed, neutriinod, ise elektrilaengut mitte omades, kuid satelliidiga kokku põrgates, võivad tekitada satelliidi sisepindade vahel siiski potentsiaalide vahe, mis võib ulatuda mõnedel juhtudel isegi tuhandetesse voltidesse ja seda olukorras, kus satelliidi koguelektrilaeng võib olla null. 

Temperatuuride suured kõikumised. Kosmoses lendavate objektide päikesepoolne külg peab taluma sadu kraade sooja, samas kui selle varjus oleva külje temperatuur ähvardab langeda aboluutse nulli lähedale. Tegelikud välistemperatuurid sõltuvad suuresti objekti konkreetsest kaugusest Päikesest, kuid säärane keskkond valmistab väga palju muret inseneridele, kes sellistesse oludesse kümneid aastaid töötavaid seadmeid peavad projekteerima ja valmistama.

Enamasti on see küsimus siiani ka edukalt lahendada õnnestunud. Oletame aga nüüd, et meil ongi selline tehnoloogia, mis võimaldab meil universumi äärealadel ära käia ning sealt mõistliku ajaga ja uute teadmistega tagasi jõuda. Siis kõigepealt on meil vaja välja saada meie kodupäikesesüsteemist, möödudes meist kaugematel orbiitidel olevatest planeetidest ning läbides nii Kuiperi Vöö kui Oorti Pilve. Oorti Pilve kaasavastajana on maailmas tuntud ka Eesti astrofüüsik Ernst Öpik ja seepärast kasutatakse kirjanduses tihti ka nimetust Öpiku-Oorti Pilv.

Kuiperi Vööst ja Öpiku-Oorti Pilvest mööda Päikesesüsteemi ääreni. Kuiperi Vöö on torroidi kujuline hõljuvaid komeete ja asteroide sisaldav parv ümber Päikese, mis algab peale Neptuni orbiiti (30 AU-d. AU = Astromical Unit = pikkusühik, mis tähistab vahemaad umbes Maalt Päikeseni) ja ulatub kuni 1000 AU-d. 

Päikesesüsteemi piiriks loetakse aga 100 000 AU-d, kus lõpeb Oorti Pilv, mis on Kuiperi Vööst tohutult suurem ja kerakujuline komeetide ja asteroidide hõljukparv läbimõõduga 10 000 – 100 000 AU-d. Kuigi Oorti Pilve äärmised objektid asuvad Päikesest kuni 100 000 AU-d kaugemal kui meie koduplaneet, tiirlevad ka nemad ümber sama Päikese ning kõnelevad vaikides meie päikesesüsteemi varasemast ajaloost. 

 Oort Cloud credits NASA JPL Caltech

Foto: NASA JPL – Caltech. Päikesesütseemi läbilõige logaritmilisel kauguste skaalal.

Lähima täheni. Kui nüüd soovime esimese lähima tähe Alpha Centaurini jõuda, peaksime sõitma 4,3 aastat valguse kiirusel, mida võib kosmilises mõõtkavas vaid lähemaks käeulatuseks nimetada. Maalt 17 valgusaasta raadiuses on 65 Päikese sarnast tähte.

Galaktika piirini. Kosmiliste kauguste mõõtühikuna valgusaastate kõrval eelistavad astronoomid parsekit (pc), mis on Maalt mõõtmiste sooritamiseks mugavam ning seda eelkõige kogu mõõdetava universumi omavahel rohkem suhtelises formaadis kajastamise huvides. 1 pc on küll ümmarguselt 3,26 valgusaastat, kuid see on defineeritud mitte valguse kiiruse kaudu vaid geomeetriliselt, Maa ja Päikese vahelise kauguse ning vaatenurga kaudu. Parsek on objekti ja vaatleja vaheline kaugus, mil 1 AU moodustab 1 kaaresekundi ehk 1/3600 kraadi. Teisiti väljendades on 1 pc sellise ringi raadius, millel 1 AÜ nurklaius on 1 kaaresekund.  

Sellises mõõtkavas meie kujuteldavat reisi jätkates jõuame esimese suurema Universumi ehitusplokini, milleks on galaktika. Meie kodugalaktika Linnutee on kettakujuline täheparv, mille läbimõõt on umbes 30 000 pc ehk 30 Kpc ning mis on koduks veel 400 miljardile tähele peale meie Päikese. Meie asume selle äärealal umbes 8 Kpc galaktika keskmest, Sagittariuse nimelisel spiraalharul ning tiirleme ümber galaktika keskme perioodiga umbes 225 miljonit Maa aastat. Meie galaktika keskmeks on must auk, mille gravitatsioon vastab hinnanguliselt miljoni Päikese massile.

Galaktikate parved. Galaktikad omakorda asetsevad parvedes ehk klastrites, mis koosnevad paarist koondunud galaktikast kuni tuhandeni ja harva isegi enam. Meie kohalikus klastris, kus Linnutee ja ka Andromeda asuvad, on veel umbes 20 galaktikat. Galaktikate klastrid on läbimõõdult umbes 3 000 000 pc ehk 3 Mpc.

Galaktikate superparved. Galaktikate klastrid aga võivad moodustada omakorda superparvi ehk superklastreid, millesse võib kuuluda 100 ja enam klastrit. Superklastrid on umbes 20-30 korda suuremad kui tavalised klastrid, ulatudes läbimõõdult 100 Mpc-ni. 

Universumi kärgstruktuur. Nii klastrid kui superklastrid moodustavad aga suurima jälgitava struktuuri, mida kutsutakse Universumi Kärgstruktuuriks  - The Large Scale Structure of the Universe - ehk kosmiliseks võrguks - Cosmic Web - ja mille üheks avastajaks on globaalselt tuntud Eesti astrofüüsik, akadeemik Jaan Einasto. Vaadeldavas Universumis on hinnanguliselt 100 miljardit galaktikat ja meie Universum on umbes 30 superklastri laiune, mis on hinnanguliselt 10 miljardit valgusaastat ehk ca 3 miljardit pc – 3 GPc. 

Meile tuntud tavapärane aine ja elementaarosakesed moodustavad Universumist kõigest napilt 5%. Tänaseks on jõutud arusaamale, et kogu vaadeldavast Universumist moodustavad tahked kehad ja planeedid kõigest 0,03%; elektrilaenguta algosakesed ehk neutriinod 0,3%; erinevas arengufaasis tähed 0,5%; vesiniku ja heeliumi aatomid ca 3-4%; nähtamatu tume aine 27%; tume energia 68%. Teisisõnu, me teame küllaltki suure tõenäosusega, mis asub meist miljardite valgusaastate kaugusel, kuid vaatamata sellele on ca 95% Universumist meile täna jätkuvalt mõistatuslik. 

Universumi algus ja lõpp. Viimase aja vaatluste käigus on kindlaks tehtud, et meist kaugemal asuvad galaktikad kaugenevad nii meist kui ka omavahel. See paneb omakorda uue pilgu heitma seni laitmatuna toiminud 4 loodusliku vastasmõju seadustele – tugeva, nõrga, elektromagneetilise ja gravitatsioonilise vastasmõju seadustele. Nimelt ilmneb, et gravitatsioonilise vastasmõju seadus senisel kujul Universumi suurel skaalal silmaga nähtavat olukorda ei toeta. Asjaoluks fakt, et nähtava aine mass Universumis pole kaugeltki piisav tähesüsteemide ja galaktikate senisel kujul kooshoidmiseks gravitatsioonilise vastasmõju seaduse kohaselt ning on jõutud järeldusele, et silmaga nähtavate protsesside seletamiseks oleks vaja umbes 25 korda rohkem ainet ja energiat. On kerkinud ka uus küsimus: millise kujuga on meie Universum ning kas see jääb igavesti paisuma või tuleb millalgi ka piir ette?

Enamlevinumad on 3 peamist mudelit: Universum on lameda kujuga, jääb igavesti paisuma, olles seejuures lõpmatu (A. Einsteini - De Sitteri mudel); Universum on hüperbolaarse (kahe vastakuti asetatud lehtri) kujuga ning jääb igavesti paisuma, olles samuti lõpmatu (Friedmanni – Lemaitre mudel); Universum on lõplik, sfäärilise kujuga, see paisub, kuid on määratud lõpuga (Friedmanni – Lemaitre mudel). Vahe kahe Friedmanni stsenaariumi vahel on sisuliselt asjaolu, kus lõputult paisuva mudeli kohaselt on Universumi massitihedus oma kriitilisest tihedusest (mis on 5 aineosakest m3 kohta) väiksem ja lõppevalt paisuva Universumi mudeli puhul on massi tihedus suurem kui 5 aineosakest m3 kohta.

Viimaste vaatluste käigus on aga kindlaks tehtud, et kuigi Universumi massitihedus peaks nähtava aine põhjal keskmiselt kõigest 0,2  osakest m3 kohta olema, paisub see isegi veel kiiremini kui selle tihedus vastaks kriitilisele tihedusele 5 osakest m3 kohta. Teisisõnu nõuab selline olukord korrektuure seni õigeks peetud universumi masstiheduse osas ning kahe uue ja olulise teguri lisamisena massitiheduse ehk universumi konstandi võrrandisse. Nendeks teguriteks saavad nüüd 95% osas universumi kogumassist nähtamatu tume aine - 27% ja tume energia – 68%. Viimasele sarnast nähtust oli omal ajal soovitanud ka juba A. Einstein. Tumedat energiat käsitletakse mõningases kirjanduses ka antigravitatsiooni jõuks – ingl. antigravity force

Seesama tume energia põhjustab täna - hinnanguliselt 13,7 miljardit aastat peale meie Universumi sündi Suure Paugu näol – paisumise tulemusena juba galaktikate superklastrite lagunemist, millele järgneb samade protsesside jätkudes Universumi hilisemates arengufaasides suure tõenäosusega ka klastrite ja galaktikate koost lagunemine. Sellele järgneb loogiliselt päikesesüsteemide ja planeetide lagunemine kuni materiaalse aine ja selle aatomite lagunemiseni välja. Kogu protsess võib omakorda viia uue füüsilise reaalsuse sünnini juba ennem kui täna meile tuntud Universum oma arengu lõpusirgele jõuab.

Seda järeldust saame vaid leevendada asjaoluga, et see kõik võtab tõenäoliselt veel sadu miljoneid aastaid aega ning loodetavasti on selleks ajaks inimkonna vaimne ja tehnoloogiline tase arenenud niikaugele, et see võimaldab teadvuse täielikku ülekdandmist olemasolevast füüsilisest reaalsusest uude. Miks mitte aga ka mõnda hoopis teise ning juba täna eksisteerivasse reaalsusesse, ehk parralleelselt eksisteerivasse universumisse? 

 cosmic web  credits Max Planck Instiute für Astrophysik

Foto: Max Planck Astrofüüsika instituut. Universumi kärgstruktuur

Superstringiteooria, ussiagud, hüperruum ja Multiversum.  Jätkuks eelnevale lõigule - miski paraku ei välista, et säärane tsükliline, erinevate universumite sünd ning lõppemine või uueks reaalsuseks kujunemine pole ennem meie Universumit kusagil juhtunud või ka seda, et mõne uue universumi sünd pole kellegi teise poolt meie Universumist kusagil mujal juba paralleelselt algatatud, ehk uue reaalsuse teket alustatud.  

Nelja loodusliku vastastikmõju seaduse korrigeerimine universumi tasandil gravitatsioonilise vastasmõju puhul (kahe nähtamatu, kuid kosmost oluliselt mõjutava substantsi lisamise kaudu) on sundinud teadlasi uue pilgu heitma ka aegruumile tervikuna. Superstringi teooria, ingl. super string theory, mida võiks ligilähedasena tõlkida superenergiapööriste teooriaks eesti keeles, põhineb mikro- ja makrotasandite füüsikaseaduste üheaegsel koostoimimisel ning nende integreerimisel ühte maailmapilti. Superstringi teooria hüpoteesiks on asjaolu, et kõikide elementaarosakeste taga on ülipeente lainepööriste ultramikroskoopiline spiraaljas võnkumine. Iga säärane osake – Planck - on justkui nagu lõpmatu lainepikkusega (sarnaselt alalisvoolule) spiraaljas helilaine ning säärase osakese suurus on 10 astmes -35 meetrit, mis on ca 25 suurusjärku väiksem kui vesiniku aatom (1,06 x 10 astmes -10 meetrit). Superstringiteooria kohaselt on kogu ruum täidetud Planckidega, seda nii kosmilise ja meile nähtamatu vaakumi osas, ülikõrge temperatuuriga tähtede südametes, kui kõikide elementaarosakeste lõikes ning kätkedes endas samas ka kõike 4 looduslikku vastasmõjuseadust ja täielikku lainespektrit. Teooria kohaselt lubab säärane Planckidega täidetud aegruum mitmedimensionaalsust – stringid eeldatakse eksisteerivat 11-s ruumi dimensioonis.

Samuti lubab see teooria lugematute multidimensionaalsete ruumide paralleelselt kooseksisteerimist, millest igaüks võib jäädavalt tekkida või laguneda ning seda nii eri regioonides kui erineval ajal. Säärased parralleelsed, kuid enamikus osas üksteisele nähtamatud universumid moodustavad koos Multiversumi. Universumid hõljuvad eeldatavasti igaüks oma enda “isiklikes ning piiritletud aeg-ruumi mullides” ning võivad aeg-ajalt ka üksteisega kokku põrkuda. Eeldatakse aga samuti, et mingi seni kindlakstegemata seaduspärasuse kohaselt võivad erinevad universumid “aeg-ruumi mullidena” olla omavahel ühendatud tunnelite ehk ussiaukude kaudu. Selline eeldus nõuab aga kokkupuutuvate universumite koostoimet ning nendevahelist, erinevate universumite vahel asetsevat ruumi, mida kutsutakse hüperruumiks. 

 Planck osakeste visualisatsioon Jeff Bry

Illustratsioon: Jeff Bryant. Multidimensionaalsete Plancki osakeste visualisatsioon

Arengud ja avastused jätkuvad. Kuigi käesoleva artikli eesmärk oli lugejas meie universumist ja multiversumist kiire, kuid loogiline ja hoomatav arusaam luua, peab rõhutama, et kogu maailma kosmoloogia ja universumi tekkeloo andmed baseeruvad täna siiski vaid Maalt ja lähikosmoses tehtud ja tehtavate vaatluste põhjal täna kasutada oleva tehnoloogiaga ning koostöös teaduse helgeimate peadega üle maailma. Iga suurem kvalitatiivne hüpe teaduse ja tehnoloogia arengus ajaloos on viinud uute avastusteni ka astronoomias ja kosmoloogias ning pole põhjust arvata, et selline seos ka tulevikus ei jätkuks.