Universumi salajased ajamasinad

Ilmaruumis arvatakse leiduvat hulganisti ussiauke. Need on läbi aegruumi kulgevad kosmilised otseteed. Kui siiani on ussiaugud püsinud oletuslikud ja nähtamatud, siis nüüd on füüsikud välja käinud meetodeid, mis võivad tagada nendele universumi looduslikele ajamasinatele juurdepääsu.

© Shutterstock

ROLF HAUGAARD NIELSEN 

17. OKTOOBER 2023

Kahe noore inimese Romeo ja Julia vahel on puhkenud imeilus armastus, kuid noorte perekonnad vihkavad üksteist hingepõhjani ega luba neil mingil juhul abiellu astuda. Õnnetud noored armastajad saadetakse teineteisest võimalikult kaugele maapakku, üks ühte ja teine teise galaktikasse.

Romeo ja Julia on juhtumisi ülivõimekad füüsikud. Nad otsivad salaja üles ussiaugu, mis kahte galaktikat ühendab.

Ussiauku võib kujutleda justkui koridori või tunnelit aegruumi eri osade vahel, mille otstes on sissepääsudeks mustad augud. Üks must auk on Romeo ja teine Julia galaktikas. Kumbki noor armastaja viskub oma musta auku ja nende pered on veendunud, et nad tegid enesetapu, kuna igatsus teineteise järele muutus niivõrd talumatuks.

Peaaegu kõigi galaktikate keskmes on mustad augud. Võimalik, et osa neist on sissepääsud ussiaukudesse.

© Shutterstock

Selline võiks olla Shakespeare’i klassikaline näidend Romeost ja Juliast, kui sellest tehtaks ulmeversioon. Erinevalt originaalist oleks ulmeversiooni lõpp õnnelikum, sest mustadesse aukudesse hüppamise järel saadavad ülitugevad gravitatsiooniväljad Romeo ja Julia ussiaugu keskpunkti, kus nad maanduvad teineteise käte vahel ning võivad nautida oma armastust.

Idee, et universumis võivad eksisteerida niisugused ussiaugud, mis on kiirelt läbitavad ühendusteed üksteisest kaugel asuvate paikade ja aegade vahel, sai alguse Einsteini üldrelatiivsusteooriast. Peamine probleem nendega on olnud see, et kui need eksis­teerivad, siis on need maskeerunud mustadeks aukudeks, ent see tähendab, et nende leidmine ja uurimine on võimatu – keegi ei tea, mis mustas augus teisel pool sündmuste horisonti täpselt toimub.

Mõne uue hüpoteesi kohaselt võib ussiaukudel olla siiski selliseid omadusi, mis muudavad nende leidmise võimalikuks. See tähendab, et nende looduslike ajamasinate avastamine ei pruugi olla võimatu.

U-kujuline aegruum

Ussiaugud on füüsikaliselt võimalikud, sest üldrelatiivsusteooria järgi mõjutab raskus­jõud nii ruumi kui ka aega. Kui Einstein kolm ruumilist mõõdet ajaga ühendas, pani ta aluse neljamõõtmelise aegruumi kontseptsioonile. Kuna me pole suutelised nelja­mõõtmelisust kuidagi palja silmaga nägema ega ka ilmselt vaimusilmas kujutlema, visualiseeritakse aegruumi tihti justkui kanga­na, mida sellele asetatud massiivsed objektid allapoole suruvad. Stephen Hawking on näiteks võrrelnud massiivsete objektide mõju aegruumile sellega, kuidas mõjutab pingule tõmmatud kilet või kummilehte sellele asetatud keeglikuul – see vajutab kilesse lohu. Kui kilele asetada pisemaid kuulikesi, siis keeglikuulile piisavalt lähedal asudes veerevad needki selle juurde. Samamoodi toimib ka taevakehade gravitatsioon.

Kosmose mõistes tagasihoidliku massiga objekt, olgu selleks näiteks planeet Maa, mõjutab aegruumi suhteliselt vähe. Ülimassiivsed ja -tihedad objektid, näiteks mustad augud ja neutrontähed, vajuvad ümbritsevas aegruumikangas nii sügavale, et süvend meenutab lausa kaevu. 

Täht S2 tiirleb ümber Linnutee (vasakul) keskmes oleva musta augu. Kui tegu on pääsuga ussiauku, oleks teleskoobiga ELT (paremal) näha, et tähe orbiiti mõjutavad oma massiga ussiaugu teise avause juures olevad tähed.

© L. Calçada / ESO & M. Kornmesser / ESO

Kaks sellist gravitatsioonikaevu võivad olla omavahel ühendatud – see pole füüsika­teooriatega vastuolus – ning nii­sugusel juhul võibki kaevusuudmeteks olevate mustade aukude vahel olla ussiauk ehk tunnel. Kui ussiaugud on olemas, siis eksisteerivad järelikult ka otseteed läbi aja ja ruumi. Selliseid otseteid mööda on võima­lik ajas edasi-tagasi liikuda ja põhimõtteliselt võime seal keskel kokku saada – täpselt nagu Romeo ja Julia.

Ussiaugud tõstatati teadusmaailmas arutlusteemana tõsisemalt 1980ndate lõpus, mil USA nobelist Kip Thorne arvutas välja, et teoreetiliselt on võimalik ussiaugust kosmose­aparaat läbi saata ning see on Einsteini seadustega kooskõlas. Selleks on tarvis, et tunnel püsiks lahti ja stabiilsena. See omakorda eeldab „vooderdust“, mis oleks nn eksootilisest ainest.

Kui tavaainel on mass, positiivne energia ja gravitatsiooniväli, siis eksootilisel ainel, mis koosneb eimillestki, on negatiivne energia. Seetõttu on eksootiline aine tõukuv, mis tähendab, et kui ussiaugu seinad sellega justkui tapetseerida (see on mõistagi kujund), hoitakse ussiauk avatuna, nii et kosmosesõiduk saab sõita sellest läbi teise aega ja paika. 

Ussiaugud on iidvanad

Kuidas need ühendusteed mustade aukude vahel tekkisid?

Hüpoteesi, et osa üliraskeid musti auke on sissepääsud ussiaukudesse, püstitas 2006. aastal Vene füüsik Igor Novikov. Tema teooria põhineb oletusel, et suur hulk musti auke tekkis kohe pärast Suurt Pauku, mil universumi mõõtmed olid praegusega võrrel­des veel väikesed ning kogu aegruum oli tihedasti kokku pakitud, meenutades mõneti vahtu.

Osa vastseid musti auke puutus üks­teisega kokku neid ühendanud tunnelite kaudu ning neist saidki ussiaugud. Teoreetiliselt võiksid olla universumi sestpeale toimu­nud pideva paisumisega ussiaugud jõudnud ühendama praeguse ilmaruumi kõige kaugemaidki nurki ja nendevahelised tunnelid, juhul kui need veel säilinud on, ühendavad nüüd kaugeid galaktikaid, moodus­tades aegruumi eri osade vahel kosmilis­te otseteede võrgu. Osa tunneleid võivad mõistagi olla universumi paisumise käigus katkenud ning nende ussiaukude avauste saatuseks on seetõttu saanud olla tavalised ülimassiivsed mustad augud galaktikate keskmes. 

Ussiauk on teoreetiline otsetee aegruumi osade vahel. Aegruumi kõverdavad tohutu suure massiga objektid, näiteks ülimassiivsed mustad augud. Reis läbi ussiaugu võib reisija viia kaugesse galaktikasse ja hoopis teise aega.

© Claus Lunau, Shutterstock & Malene Vinther

Ussiaukude valdkonna üks juhtivaid uurijaid on Juan Maldacena USA Princetoni ülikoolist. Tema mõtles välja ka ees­pool toodud näite ussiauke kasutavatest Romeost ja Juliast. Maldacena arvutused näitavad, et ussiaugu avaustel kahes galaktikas võib olla selline geomeetria, mis võimaldab neisse hüpata ning ussiaugu keskel kokku saada, ent Maldacena arvates ei ole noortel armastajatel ussiaugust väljuda enam võimalik. Universumi paisumise tõttu igas suunas eemalduvad tunneli avausteks olevad mustad augud teineteisest niivõrd kiiresti, et tunnelist välja ei jõua Romeo ja Julia isegi siis, kui nad liiguvad väljapääsu poole peaaegu valguse kiirusel.

Teised teadlased ei ole selle väitega siiski nõus. 2020. aasta novembris esitasid Peterburis asuva Pulkovo observatooriumi füüsik Mihhail Pjotrovitš ja tema kolleegid teadusajakirjas Monthly Notices of the Royal Astrono­mical Society töö, mille peamine hüpotees on, et mõne aktiivse galaktika tuuma (active galactic nuclei, lüh AGN) keskmes pole mitte lihtsalt ülimassiivsed mustad augud, vaid need on ühtlasi sissepääsud ussiaukudesse.

Niisuguste eriti heledate tuumadega galaktikate keskmes olevad mustad augud võivad juhul, kui need on ussiauguga seotud, emiteerida kiirgust väga iseloomulikel lainepikkustel. On teada, et aktiivsetest galaktikatuumadest (mille keskel on must auk) paiskub välja kaks võimsat ainejuga, mis koosnevad elektronidest ja footonitest. Nende voog liigub peaaegu valguse kiirusel. Kui ussiaugu kaks sissepääsu aegruumi eri osades mõlemad gaasi neelavad, kiirendavad väga tugevad gravitatsiooniväljad tunneli otstes olevate mustade aukude suudmeis gaasiaatomeid sedavõrd, et need tuhisevad ussiaugust läbi peaaegu valguse kiirusel. Tunneli keskel aatomid lõhustuvad ning tekib plasma, mille temperatuur on 10 triljonit Celsiuse kraadi. Plasma paisub, gaasiosakesed paisatakse edasi ning ussiaugu otstes olevatest avaustest ehk mustadest aukudest välja. Neist kiirgub energia­rikas gammakiirgus.

Kiirgus näitab teed ussiaukude juurde

Väljast vaadates meenutavad aktiivsete galaktikate tuumad üliraskeid musti auke, ent osa neist võivad olla sissepääsud ussiaukudesse. Uus uuring näitab, kuidas ussiauke leida, kasutades näiteks Fermi kosmoseteleskoopi.

© Shutterstock & Malene Vinther

Gaas langeb ussiauku
Ussiaugu avaus neelab endasse ülimassiivse musta augu kombel gaasi augu ümber olevast akretsioonikettast. Uue hüpoteesi järgi jõuab gaas mõlemast avausest tunnelisse, kus see saavutab peaaegu valguse kiiruse.

© Shutterstock & Malene Vinther

Kokkupõrge tekitab plasmamulli
Kaks gaasijuga saavad kokku tunneli keskel ning osakeste kokkupõrke tagajärjel tõuseb temperatuur tohutult kõrgeks. Tekib plasma­kogum, mille temperatuur on kümme triljonit Celsiuse kraadi.

© Shutterstock & Malene Vinther

Plasma jõuab avaustest välja
Plasma paisub plahvatuslikult ning gaasi­osakesed heidetakse ussiaugu kahest avausest välja. Tulikuum plasma paiskub igasse suunda laiali ning selle kaaslaseks on ülimalt energiarikas gammakiirgus.

© Shutterstock & Malene Vinther

Kiirgus reedab ussiaugu
Gaasikettast tulev kiirgus võimaldab eristada ussiaugu sissepääsu tavalisest mustast august, kasutades näiteks Fermi kosmose­teleskoopi. Must auk kiirgab gammakiirgust ainult kettaga risti väljuvatest osakeste­voogudest, aga mitte akretsioonikettast.

Pjotrovitš ütles portaalile Vice, et ülimalt massiivsete mustade aukude akretsioonikettad (kettad aukude ümber, mis koosnevad musta augu ligi tõmmatud ainest, mis aegamööda musta auku langeb) küll kiir­gavad elektromagnetkiirgust, mitte aga gamma­kiirgust, kuna nende temperatuur on selleks liiga madal. Seega oleks võimalik kiirguse analüüsimise põhjal ussiaukudega seotud musti auke teistest eristada. Kuna Pjotrovitši hüpoteesi järgi jõuab aine ka ussiaukudest välja, tähendab see, et ka ulme-Romeol ja ulme-Julial oleks teoreetiline võimalus ussiaugust väljuda.

Teised füüsikud on leidnud teise viisi, kuidas välja selgitada, kas ussiaugud võivad maskeeruda mustadeks aukudeks.

Ussiauk Linnuteel

De-Chang Dai Hiina Yangzhou ülikoolist ja Dejan Stojkovic USA Buffalo ülikoolist on esitanud arvutused Linnutee keskmes paikneva superraske musta augu ümber valit­sevate tingimuste kohta. Meie Linnutee on võrreldes kaugemal kosmoses asuvate aktiivsete galaktikatega üsna rahulik. Linnutee keskmes olev ülimassiivne must auk on tühjendanud lähiümbruse tolmust ja gaasist ning seetõttu on astronoomidel olnud võimalik välja selgitada tähe S2 orbiit. See tiirleb ümber augu elliptilisel orbiidil, lähenedes mustale augule kõigest 20 miljardi kilomeetri kaugusele. Kui oletada, et üli­massiivne must auk meie enda galaktikas on tegelikult avaus ussiauku ning ka ussiaugu teise avause ligidal asub mõni täht, siis peaks see tähendama seda, et S2 ja teine täht mõjutavad üksteist gravitatsiooniliselt ussiaugu kaudu. Arvutused ütlevad, et see mõjutaks S2 orbiiti. Järgmine põlvkond suuri teleskoope, mille peeglid on 30–40meetrise läbimõõduga, nagu Eriti Suur Teleskoop (ELT) Tšiilis, on piisavalt terava pilguga, et tuvastada orbiidi häiritusi. Kui mõni peaks avastatama, siis võib see tähendada seda, et me oleme leidnud enda kosmilisest kodukandist värava ajarännakuteks mujale universumisse.

Kuigi ajas reisimise idee on väga paeluv, on see ka hirmutav, kuna on vastuolus meie tavaarusaamaga ajast kui kindlast suurusest. Samas ei takista ajas reisimist ükski füüsikaseadus.

Praeguseks oleme tõestanud, et tulevikku reisimine on võimalik. Võtmeks on liikumine, eriti liikumine suurel kiirusel.

Kujutle, et aeg on jõgi, mis voolab minevikust tulevikku. Me kõik istume paadis, mis liigub koos vooluga. Tulevikku reisimiseks peame lihtsalt käivitama mootori, et paat liiguks kiiremini kui vool. Samamoodi reisivad miljonid inimesed iga päev miljardik­sekundeid tulevikku lennukite pardal, mille lennukiirus on mitu tuhat kilomeetrit tunnis. Vahe on siiski nii väike, et seda pole võimalik tähele panna ning see on mõõdetav ainult aatomkelladega. Kui tahame kiirust päriselt tulevikku reisimiseks ära kasutada, tuleb ehitada kosmoseaparaat, mis liigub peaaegu valguse kiirusel. Siis liigub aeg sõidu­ki pardal juba palju aeglasemini. 

Kip Thorne selgitas välja, et teoreetiliselt on võimalik kosmosesõiduk läbi ussiaugu saata, ent Juan Maldacena (fotol) arvab, et see ei välju sealt kunagi, sest tunnel muutub universumi paisumisega üha pikemaks ja pikemaks.

© Caltech / UPI / Ritzau Scanpix

Reisil lähima täheni ja sealt koju tagasi kogevad astronaudid, et kui nende elust on möödunud aasta, siis Maa peal maandudes ilmneb, et nende ärasõidust on kulunud kümme aastat. Nad maanduvad tulevikus.

Näide põhineb Einsteini erirelatiivsusteoorial ja näitab, et pikkade vahemaade puhul ei ole ruumis olemas üheaegsust, sest aja kulg sõltub vaatleja kiirusest.

Veel ütleb üldrelatiivsusteooria, et massiiv­sed objektid ruumis mõjutavad aegruumi. Mida suurem on objekti mass, seda tugevam on selle gravitatsiooniväli ja seda aeglasemalt kulgeb aeg. Seda on registreeritud ka Maa peal. Aeg kulgeb mäetipus kübeme jagu aeglasemalt kui merepinnal, sest mäetipp on planeedi raskuskeskmest kaugemal. Kui aga suudaksime reisida ülimassiivse, tiheda ning kompaktse neutrontähe juurde, mille läbimõõt on 10–20 kilomeetrit ja mass suurem kui Päikesel, siis oleks selle mõju palju selgem.

Sellise tähe juures liiguks aeg lausa 30 protsenti aeglasemalt kui Maa peal. Nii et kui astronautide superkiire kosmosesõiduk pöördub pärast neutrontähe juures käimist koju tagasi, maanduvad nad mitusada aastat tulevikus.

Raskusjõu mõju ajale tähendab ka seda, et Romeo ja Julia ei pea kartma kohtumist oma peredega, kui otsustavad millalgi tagasi oma galaktikasse pöörduda. Viibimine ussiaugu tugevas gravitatsiooniväljas aeglustaks nende aega nii palju, et väljudes oleksid nad nii kaugel tulevikus, kus neid ei tunne keegi.

Reisid minevikku on ohtlikud

Kui reisimine tulevikku on juba praegu vähesel määral võimalik, siis reis minevikku on palju keerulisem ettevõtmine. Põhi­mõtteliselt on seegi võimalik, kui aegruumi ussiaugud tõepoolest olemas on.

Minevikku reisimine toob aga kaasa mõningaid probleeme, mis tunduvad täiesti lahendamatutena. Võtame näiteks kuulsa vanaisaparadoksi – oletame, et sa rändad ajas tagasi ja tapad oma vanaisa enne, kui ta on lapsi saanud. Siis ei saa sa ju ka ise sündida. Kes sel juhul su vanaisa tappis?

Relatiivsusteooria lubab aega moonutada

Universumi kolm ruumimõõdet on põimunud ajaga, moodustades neljadimensioonilise aegruumi. Aja kulg oleneb massiivsetest objektidest ja nende liikumistest ruumis ning seetõttu on aeg suhteline ja erinev, olenedes sellest, kus me viibime.

© Shutterstock

Gravitatsioon aeglustab aja kulgu
Massiivsed objektid kõverdavad ruumi ning panevad aja aeglasemalt käima. Mida suurem ja tihedam massiivne objekt on, seda suurem on viivitus. Neutrontäht on erakordselt tihe, kõverdades aegruumi sedavõrd, et selle lähistel kulgeb aeg 30 protsenti aeglasemalt kui Maal. 50 minutit meil vastab seega 35 minutile neutrontähel. Raskusjõu mõju ajale saab aga mõõta isegi Maa peal. Aatomkell käib mäetipus kiiremini kui merepinnal, sest mäetipp on Maa keskmes asuvast raskuskeskmest kaugemal.

© Mark Myers / OzGrav ARC Centre of Excellence.

Pöörlemine väänab aega
2020. aastal näitasid Austraalias asuva Parkesi teleskoobiga tehtud vaatlused, et pöörlevad objektid moonutavad aegruumi. Tõestus saadi ühest kaksiktähesüsteemist, mis koosneb neutrontähest ja selle ümber tiirlevast valgest kääbustähest. Ülikiiresti pöörlevaid tugeva magnet­väljaga neutrontähti kutsutakse pulsariteks. Neist kiirgub suures koguses energiat kiirgusjoana, mis on tähtede magnetvälja teljega paralleelne. Kiirgusvihke vaadeldes nägid teadlased, et neutrontähe orbiit on ebaühtlane. Asi on selles, et valge kääbus, mis teeb täistiiru ümber oma telje alla kahe minutiga, kõverdab aegruumi nii palju, et pulsari orbiit vonkleb üles-alla.

© Shutterstock 

Mustas augus käib aeg ringiratast
Me ei näe, mis toimub musta augu sees, aga astro­füüsikud arvavad, et mustad augud ja ka nende sisealad pöörlevad. Musta augu keskel on singulaarsus, see on punkt, kus aine tihedus on lõpmatult suur. Osa teadlaste arvates kõverdab metsik pöörlemine singulaarsuse vahetus läheduses aegruumi sedavõrd, et seal võivad tekkida suletud ajaringid. Niisuguses ajaringis on minevik, olevik ja tulevik omavahel seotud, nii et aeg käib ringiratast ning kõik kordub lõputult.

Selle paradoksi tõttu väitis legendaarne Briti füüsik Stephen Hawking, et füüsika­seadustes peab olema mingi tundmatu mehhanism, mis takistab ajas tagasi reisimist. Igor Novikov ei ole nii resoluutne. Tema arvates on põhimõtteliselt võimalik ajas tagasi minna, aga me ei saa seda muuta nii, et see välistaks oleviku või mineviku.

Kui ajamasin tõesti leiutatakse, saame igal juhul reisida tagasi kõige rohkem päeva, mil masin kasutusele võeti. Niisiis ei saa me minna puhkusele Vana-Egiptusesse ega vaada­ta, kuidas egiptlased püramiide ehitasid. Selsamal põhjusel ei ole keegi tulevikust meid kunagi külastanud. Vähemasti meie endi teada.

Loe ka neid artikleid

Tere Tulemast tagasi!

Sisesta enda kasutajaandmed

Taasta enda parool

Palun sisesta parooli taastamiseks, enda kasutajanimi või emaili aadress