Pokud by se mimozemšťanům podařilo navštívit náš vesmír z paralelní reality, je velká pravděpodobnost, že by si naší existence ani nevšimli.

V jistém smyslu je to zřejmé: vesmír je obrovský a naše planeta je jen malá, bleděmodrá tečka. Ale je to ještě horší: mimozemšťané by si možná ani nevšimli všech hvězd a planet, které kolem nich obíhají. Mohli by dokonce přehlédnout i obrovská oblaka prachu, která plují vesmírem.

Všechny tyto známé věci tvoří jen zlomek hmoty v našem vesmíru. Zbytek je něco jiného, materiál, který nikdo na Zemi nikdy neviděl.

Pro nedostatek lepšího názvu nazývají fyzikové tuto hmotu „temnou hmotou“. Kdyby tam nebyla, galaxie by se rozletěly. Nikdo neví, co to je, ale fyzikové jsou jí na stopě.

Vše, co vidíte kolem sebe, od vlastního těla přes planetu, na které stojíte, až po hvězdy na obloze, je tvořeno atomy. Ty se zase skládají z menších částic, jako jsou protony a neutrony, z nichž mnohé lze ještě dále rozložit.

Když fyzikové na počátku 20. století začali chápat složení atomů, zdálo se, že brzy pochopíme základ veškeré hmoty ve vesmíru.

V roce 1933 však začal švýcarský astronom Fritz Zwicky tvrdit, že většina vesmíru musí být tvořena něčím úplně jiným.

Zwicky spočítal veškerý materiál, který mohl pozorovat ve skupinách galaxií. Zjistil, že tam není dost hmoty na to, aby vysvětlil gravitační sílu, která je drží pohromadě.

Byl to bláznivý teoretik, který nedokázal sečíst své síly

Galaxie, které Zwicky pozoroval, se navíc točily tak rychle, že se měly rozletět a rozptýlit do všech koutů vesmíru, říká Richard Massey z Durhamské univerzity ve Velké Británii. Každá galaxie byla jako kolotoč, který se točí příliš rychle: každý jezdec by byl vymrštěn.

Zwicky si uvědomil, že tam musí být ještě něco, co nemohl přímo pozorovat, ale co má dostatečně silnou gravitační sílu, aby vše udrželo pohromadě. Řekl, že tato neznámá forma hmoty je „temná“.

V té době byl považován za výstředníka a jeho teorie nebyly brány vážně. „Byl to bláznivý teoretik, který nedokázal dát dohromady své síly, a tak si vymyslel úplně novou formu hmoty,“ říká Massey.

Zwickyho práce byla z velké části zapomenuta až do 70. let 20. století, kdy astronomka Vera Rubinová zjistila, že blízké galaxie se netočí správným směrem.

Něco tam muselo být, aby tyto hvězdy neodlétly.

V naší sluneční soustavě platí jednoduché pravidlo. Čím dále je planeta od Slunce, tím slabší je gravitační působení. V důsledku toho se tato planeta bude pohybovat pomaleji a dokončení oběhu jí bude trvat déle.

Stejná logika by měla platit i pro hvězdy obíhající kolem středu galaxie. Nejvzdálenější hvězdy by se měly pohybovat nejpomaleji, protože gravitační sevření slábne.

Místo toho Rubin zjistil, že nejvzdálenější hvězdy se pohybují stejně rychle jako blízké hvězdy.

Něco tam muselo být, aby tyto hvězdy neodlétly. Zwicky byl nakonec na správné stopě.

Astronomové se nyní domnívají, že temná hmota měla zásadní podíl na vzniku vesmíru, jak ho známe.

Temná hmota je jako vítr: nemůžeme ji přímo vidět, ale víme, že tam je

Téměř před 14 miliardami let, chvíli po velkém třesku, se vesmír začal rychle rozpínat a začaly vznikat shluky galaxií.

Vesmír se však nerozpínal tak rychle, aby všechny tyto galaxie odletěly do vzdálených koutů. To proto, že temná hmota ukotvuje vše pohromadě, přestože je neviditelná.

V jistém smyslu je temná hmota jako vítr: nemůžeme ji přímo vidět, ale víme, že tam je. Navíc je jí hodně: asi 25 % vesmíru.

Někdy se uvádí, že temná hmota tvoří asi 80 % veškeré hmoty ve vesmíru. Je to proto, že pouze 30 % vesmíru je tvořeno hmotou a většinu z ní tvoří temná hmota. Zbytek je energie.

V 80. letech 20. století se objevily první solidní důkazy o temné hmotě.

Temná hmota je kostrou, na které visí běžná hmota.

Například v roce 1981 provedl tým vedený Marcem Davisem z Harvardovy univerzity jeden z prvních galaktických průzkumů. Uvědomili si, že galaxie nejsou uspořádány rovnoměrně. Nejsou „jen tak posypané jako třešnička na dortu“, říká Carlos Frenk z Durhamské univerzity ve Velké Británii.

Místo toho se galaxie shlukují do velkých kup, z nichž každá obsahuje stovky tisíc galaxií. Ty vytvářejí složité obrazce známé jako „kosmická síť“. Tato síť je svázána dohromady temnou hmotou.

Jinými slovy, temná hmota je kostrou, na které visí běžná hmota, říká Carolin Crawfordová z Cambridgeské univerzity ve Velké Británii. „Víme, že v raném vesmíru musela existovat. Klíčové je, aby se tato hmota shlukovala dohromady, z čehož se pak vyvinou struktury, které vidíme.“

Objev těchto shluků způsobil senzaci, říká Frenk. Davis, jeho tehdejší šéf, ho vyzval, aby přišel na to, proč jsou galaxie uspořádány právě takto.

Když Frenk začal pátrat, zjistil, že někdo tvrdí, že ho předběhl. V roce 1980 ruský tým vedený VA Ljubimovem předložil možné vysvětlení temné hmoty. Navrhovali, že je tvořena neutriny.

Zjistili jsme, že vesmír s horkou temnou hmotou nevypadá jako skutečný vesmír

Dávalo to určitý smysl. Neutrina jsou temné, přízračné částice, které téměř s ničím jiným neinteragují. Vědci předpokládali, že kombinovaná hmotnost všech neutrin ve vesmíru by mohla vysvětlit chybějící hmotnost.

Byl tu však jeden problém. Neutrina jsou „horká temná hmota“, což znamená, že jsou lehká, a proto se mohou pohybovat rychle. Když Frenk simuloval vesmír plný horké temné hmoty, zjistil, že to nemůže fungovat.

„K našemu velkému zklamání jsme zjistili, že vesmír s horkou temnou hmotou vůbec nevypadá jako skutečný vesmír,“ říká Frenk. „Byl sice hezký, ale ne takový, ve kterém žijeme. Byla tam obrovská superkupina galaxií, o které jsme věděli, že neexistuje.“

Naopak, temná hmota musí být chladná a pomalu se pohybující. Dalším krokem bylo zjistit, kde se tato chladná temná hmota nachází.

Ačkoli ji nemůžeme vidět přímo, temná hmota dělá jednu věc, která ji prozrazuje. Ohýbá světlo, které jí prochází. Je to trochu podobné, jako když světlo prosvítá bazénem nebo zamraženým oknem v koupelně.

Máme alespoň přibližnou představu o tom, kde se temná hmota nachází

Tento efekt se nazývá „gravitační čočkování“ a lze ho využít k tomu, abychom zjistili, kde se oblaka temné hmoty nacházejí. Pomocí této techniky vědci vytvářejí mapy temné hmoty vesmíru.

V současné době zmapovali pouze její zlomek. Tým, který stojí za jedním takovým projektem, má však ambiciózní cíle a doufá, že se mu podaří zmapovat osminu našeho vesmíru, což představuje miliony galaxií. Pro představu, naše vlastní galaxie, Mléčná dráha, obsahuje miliardy hvězd a možná až 100 miliard planet.

Prozatím jsou tyto mapy příliš hrubé na to, aby zobrazovaly nějaké detaily. Je to jako kdybyste řekli, že máte základní představu o kontinentech na Zemi, ale to, co vás skutečně zajímá, jsou tvary hor a jezer, říká Gary Prezeau z Laboratoře tryskového pohonu společnosti Nasa na Kalifornském technologickém institutu.

Přesto máme alespoň přibližnou představu o tom, kde se temná hmota nachází. Ale stále nevíme, co to je.

Předloženo bylo několik myšlenek, ale v tuto chvíli je nejpopulárnější návrh, že temná hmota je tvořena novým druhem částic, který byl předpovězen teorií, ale nikdy nebyl detekován. Říká se jim WIMP: Weakly Interacting Massive Particles (slabě interagující hmotné částice).

Termín „WIMP“ je pouhým heslem a může zahrnovat mnoho různých typů částic.

WIMP jsou slabé v každém smyslu světa, říká Anne Greenová z Nottinghamské univerzity ve Velké Británii. Zaprvé sotva interagují mezi sebou, natož s normální hmotou. Když narazíte do zdi, vaše ruka se s ní srazí, ale když WIMP narazí do zdi nebo do sebe, obvykle projde přímo skrz.

Druhá část zkratky mluví sama za sebe. WIMPy mají velkou hmotnost, i když nemusí být nutně velké. Mohly by vážit stokrát nebo tisíckrát více než proton, říká Green.

Jde o to, že to nevíme.

Termín „WIMP“ je pouze heslem a může zahrnovat mnoho různých typů částic, říká Massey. A co hůř, protože jsou údajně tak přízračné, je velmi obtížné je odhalit.

V tuto chvíli možná otráveně rozhazujete rukama. „Nejdřív se rozhodli, že existuje celá ta neviditelná hmota, a teď se rozhodli, že je tvořena nějakým novým druhem hmoty, který nedokážou detekovat! To je hloupost.“ No, nejste první, kdo to říká.

Již v roce 1983 někteří fyzikové tvrdili, že temná hmota vůbec neexistuje. Místo toho musí být gravitační zákony, jak je známe, špatné, a proto se galaxie chovají tak podivně. Tato myšlenka se nazývá MOND, což je zkratka pro „Modifikovanou newtonovskou dynamiku“.

Každý, kdo chce vymyslet novou teorii gravitace, musí být o něco lepší než Einstein

„Interpretujeme všechny tyto kolotoče vesmíru, to, jak sviští a jak je táhne gravitace, za předpokladu, že víme, jak gravitace funguje,“ říká Massey. „Možná jsme gravitaci pochopili špatně a špatně interpretujeme důkazy.“

Problém je podle Masseyho v tom, že zastánci MOND nepřišli s životaschopnou alternativou k temné hmotě: jejich představy nedokážou vysvětlit data. „Každý, kdo chce vymyslet novou teorii gravitace, musí jít ještě dál než Einstein a vysvětlit vše, co dokázal vysvětlit on, a také vysvětlit temnou hmotu.“

V roce 2006 zveřejnila NASA působivý snímek, který pro mnoho vědců nadobro zabil MOND.

Na snímku jsou vidět dvě obrovské kupy galaxií, které se srážejí. Vzhledem k tomu, že většina hmoty je jasně patrná ve středu, dalo by se očekávat, že právě tam bude existovat většina gravitace.

Existují tři různé způsoby, jak najít temnou hmotu

Vnější oblasti však ukazují světlo, které je rovněž ohýbáno gravitací, což naznačuje, že v těchto oblastech se nachází jiná forma hmoty. Snímek byl přivítán jako přímý důkaz existence temné hmoty.

Jestliže je to pravda, jsme opět tam, kde jsme byli. Problémem je najít temnou hmotu, když nevíme, co hledáme.

Může to znít hůře než starý problém s jehlou v kupce sena, ale ve skutečnosti existují tři různé způsoby, jak ji najít.

Prvním způsobem je pozorování temné hmoty v činnosti ve vesmíru. Sledováním jejího chování pomocí existujících „map“ temné hmoty mohou astronomové odhalit příležitostnou havárii.

Nalezli oblast naší galaxie Mléčné dráhy, která zřejmě září gama zářením.

Částice temné hmoty obvykle procházejí normální hmotou. Jejich obrovské množství však znamená, že se velmi občas některá z nich srazí s jádrem atomu.

Když se tak stane, temná hmota atom „nakopne“, takže se odrazí jako kulečníková koule. Při této srážce by mělo vzniknout gama záření: extrémně vysokoenergetické světlo. Při těchto vzácných příležitostech „může temná hmota zazářit“, říká Frenk.

„Existují přímé detekční experimenty, které hledají tyto jaderné zpětné rázy,“ říká Green.

V roce 2014 vědci tvrdili, že pomocí dat z výkonného teleskopu NASA Fermi detekovali gama záření z těchto srážek. Objevili oblast naší galaxie Mléčné dráhy, která zřejmě září gama zářením, pravděpodobně z temné hmoty.

Zobrazení odpovídají teoretickým modelům, ale zatím není jasné, zda gama záření skutečně pochází z temné hmoty. Mohly by také pocházet z energetických hvězd zvaných pulsary nebo z hroutících se hvězd.

Kromě srážek s normální hmotou může temná hmota občas narážet sama do sebe, a i to je možné pozorovat.

Nemůžete vzít oblak temné hmoty o velikosti galaxie a dát ho pod mikroskop.

Masseyho tým nedávno sledoval galaxie narážející do sebe. Očekávali, že veškerá temná hmota v galaxiích projde přímo, ale místo toho se část z ní zpomalila a zaostala za galaxií, ke které patřila.

To naznačuje, že interagovala s jinou temnou hmotou. „Pokud ano, pak je to první důkaz, že jí na zbytku světa alespoň trochu záleží,“ říká Massey.

Obě tyto metody mají jednu zásadní nevýhodu: nelze uchopit oblak temné hmoty o velikosti galaxie a vzít ho pod mikroskop. Jsou příliš velké a příliš vzdálené.

Druhý způsob detekce temné hmoty by tedy spočíval v tom, že bychom ji nejprve vytvořili.

Fyzikové doufají, že právě to se jim podaří pomocí urychlovačů částic, jako je Velký hadronový urychlovač (LHC) ve švýcarské Ženevě.

LHC rozbíjí protony o sebe rychlostí blízkou rychlosti světla. Tyto srážky jsou dostatečně silné na to, aby rozbily protony na jejich jednotlivé části. LHC pak tyto subatomární zbytky studuje.

Při těchto silných srážkách by mohly být objeveny nové částice, jako jsou WIMPy, říká Malcolm Fairbairn z Kings College London ve Velké Británii.

„Pokud WIMPy skutečně tvoří temnou hmotu a my je objevíme na LHC, pak máme velkou šanci zjistit, z čeho se temná hmota ve vesmíru skládá,“ říká.

Jestliže však temná hmota není podobná WIMPům, LHC ji nezjistí.

Vědci čekají na vzácné případy, kdy se WIMPy srazí s normální hmotou

Je tu ještě jedna potíž. Pokud by urychlovač LHC skutečně vytvořil nějakou temnou hmotu, jeho detektory by ji ve skutečnosti nezaregistrovaly

Místo toho by systém mohl najít skupinu částic pohybujících se jedním směrem, ale nic v druhém směru, říká Fairbairn. Jediný způsob, jak by se to mohlo stát, je, že by v pohybu bylo něco jiného, co by detektory nedokázaly zachytit. „To by pak mohla být částice temné hmoty.“

Pokud i to selže, mají fyzikové třetí možnost: cestovat hluboko pod zem.

Vědci čekají ve starých dolech a uvnitř hor na vzácné příležitosti, kdy se WIMPy srazí s normální hmotou – stejný druh srážek, jaké mohl pozorovat Fermiho teleskop v hlubokém vesmíru.

Každou sekundu námi proletí miliardy částic temné hmoty. „Jsou ve vaší kanceláři, ve vašem pokoji, všude,“ říká Frenk. „Procházejí vašimi těly rychlostí miliard za sekundu a vy nic necítíte.“

Po cestě se objevilo několik falešných poplachů

Teoreticky bychom měli být schopni zpozorovat malé záblesky gama záření z těchto srážek. Potíž je v tom, že tudy prochází i spousta dalších věcí, včetně záření v podobě kosmického záření, a to signál z temné hmoty přehluší.

Odtud podzemní experimenty: horniny nad nimi blokují většinu záření, ale propouštějí temnou hmotu.

Většina fyziků se zatím shoduje, že jsme z těchto detektorů zatím nezaznamenali žádné přesvědčivé signály. Článek publikovaný v srpnu 2015 vysvětluje, že detektor XENON100 v italské národní laboratoři Gran Sasso nic nenašel.

Po cestě se objevilo několik falešných poplachů. Jiný tým z téže laboratoře, využívající jiný detektor, po léta tvrdil, že jejich experiment DAMA temnou hmotu objevil. Zdá se, že skutečně něco našli, ale většina fyziků tvrdí, že se nejedná o WIMP.

Jeden z těchto detektorů nebo LHC možná ještě nějakou temnou hmotu najde. Ale najít ji na jednom místě nebude stačit

Je to pokořující připomínka toho, jak daleko ještě musíme dojít, než skutečně pochopíme náš vesmír

„Nakonec budeme muset temnou hmotu objevit více než jedním způsobem, abychom si byli jisti, že to, co pozorujeme v laboratoři, je ta samá věc, která poletuje v galaxiích,“ říká Fairbairn.

Prozatím zůstává většina našeho vesmíru temná a není jasné, jak dlouho to tak zůstane.

Někteří kosmologové, mezi nimi i Frenk, doufají, že v příštím desetiletí dostaneme nějaké odpovědi. Jiní, jako například Green, si jsou méně jistí. Říká, že pokud LHC brzy něco nenajde, pravděpodobně hledáme špatnou věc.

Už je to více než 80 let, co Zwicky poprvé navrhl existenci temné hmoty. Za celou tu dobu se nám nepodařilo získat vzorek ani určit, co to je.

Je to ponižující připomínka toho, jak daleko ještě musíme dojít, než skutečně pochopíme náš vesmír. Můžeme pochopit nejrůznější věci, od počátku vesmíru až po vývoj života na Zemi. Ale většina našeho vesmíru je stále černou skříňkou, jejíž tajemství čekají na odhalení.

Melissa Hogenboomová je autorkou článků pro BBC Earth, na twitteru ji najdete pod @melissasuzanneh.

Sledujte BBC Earth na Facebooku, Twitteru a Instagramu.

Sledujte BBC Earth na Facebooku, Twitteru a Instagramu.