Wenn es Außerirdischen gelänge, unser Universum aus einer parallelen Realität zu besuchen, würden sie mit großer Wahrscheinlichkeit nicht einmal unsere Existenz bemerken.

In gewisser Weise ist das offensichtlich: Das Universum ist riesig und unser Planet ist nur ein kleiner, blassblauer Punkt. Aber es ist noch schlimmer: Die Außerirdischen könnten nicht einmal alle Sterne und die Planeten, die sie umkreisen, bemerken. Sie könnten sogar die riesigen Staubwolken übersehen, die durch den Raum schweben.

Alle diese bekannten Dinge machen nur einen Bruchteil der Materie in unserem Universum aus. Der Rest ist etwas anderes, ein Material, das niemand auf der Erde je gesehen hat.

In Ermangelung eines besseren Namens nennen die Physiker dieses Zeug „dunkle Materie“. Wäre sie nicht da, würden Galaxien auseinanderfliegen. Niemand weiß, was sie ist, aber die Physiker sind ihr auf der Spur.

Alles, was wir um uns herum sehen, von unserem eigenen Körper über den Planeten, auf dem wir stehen, bis zu den Sternen am Himmel, besteht aus Atomen. Diese wiederum bestehen aus kleineren Teilchen wie Protonen und Neutronen, von denen viele noch weiter zerlegt werden können.

Als die Physiker zu Beginn des 20. Jahrhunderts begannen, den Aufbau der Atome zu verstehen, schien es, als würden wir die Grundlage der gesamten Materie im Universum verstehen.

Aber 1933 begann ein Schweizer Astronom namens Fritz Zwicky zu argumentieren, dass der größte Teil des Universums aus etwas ganz anderem bestehen müsse.

Zwicky zählte alles Material, das er in Galaxiengruppen beobachten konnte. Er fand heraus, dass es nicht genug Materie gab, um die Schwerkraft zu erklären, die sie zusammenhielt.

Das war ein verrückter Theoretiker, der seine Kräfte nicht zusammenbringen konnte

Die Galaxien, die Zwicky beobachtete, drehten sich außerdem so schnell, dass sie sich eigentlich in alle Ecken des Universums hätten zerstreuen müssen, sagt Richard Massey von der Durham University in Großbritannien. Jede Galaxie war wie ein Karussell, das sich zu schnell dreht: Jeder Mitfahrer würde weggeschleudert werden.

Zwicky erkannte, dass es dort noch etwas anderes geben musste, das er nicht direkt beobachten konnte, das aber eine ausreichend starke Anziehungskraft hatte, um alles zusammenzuhalten. Er sagte, diese unbekannte Form der Materie sei „dunkel“.

Zu dieser Zeit galt er als Exzentriker und seine Theorien wurden nicht ernst genommen. „Das war ein verrückter Theoretiker, der seine Kräfte nicht zusammenbringen konnte und deshalb eine ganz neue Form von Materie erfand“, sagt Massey.

Zwickys Arbeit geriet weitgehend in Vergessenheit, bis die Astronomin Vera Rubin in den 1970er Jahren entdeckte, dass sich nahe gelegene Galaxien nicht richtig drehten.

Irgendetwas muss da gewesen sein, um diese Sterne am Wegfliegen zu hindern

In unserem Sonnensystem gilt eine einfache Regel. Je weiter ein Planet von der Sonne entfernt ist, desto schwächer ist der Einfluss der Schwerkraft. Infolgedessen bewegt sich dieser Planet langsamer und braucht länger, um eine Umlaufbahn zu vollenden.

Die gleiche Logik sollte für Sterne gelten, die das Zentrum einer Galaxie umkreisen. Die am weitesten entfernten Sterne sollten sich am langsamsten bewegen, da der Einfluss der Schwerkraft nachlässt.

Stattdessen fand Rubin heraus, dass sich die am weitesten entfernten Sterne genauso schnell bewegen wie die in der Nähe befindlichen Sterne.

Irgendetwas muss diese Sterne am Wegfliegen gehindert haben. Zwicky war also doch auf der richtigen Spur gewesen.

Astronomen glauben nun, dass die dunkle Materie bei der Entstehung des Universums, wie wir es kennen, eine wesentliche Rolle gespielt hat.

Die dunkle Materie ist wie der Wind: Wir können sie nicht direkt sehen, aber wir wissen, dass sie da ist.

Vor fast 14 Milliarden Jahren, kurz nach dem Urknall, begann das Universum, sich schnell auszudehnen, und es bildeten sich Galaxienhaufen.

Doch das Universum dehnte sich nicht so schnell aus, dass all diese Galaxien in weit entfernte Ecken davonflogen. Das liegt daran, dass die dunkle Materie alles zusammenhält, obwohl sie unsichtbar ist.

In gewissem Sinne ist die dunkle Materie wie der Wind: Wir können sie nicht direkt sehen, aber wir wissen, dass sie da ist. Außerdem gibt es eine Menge davon: etwa 25 % des Universums.

Verwirrenderweise wird manchmal gesagt, dass die dunkle Materie etwa 80 % der gesamten Materie im Universum ausmacht. Das liegt daran, dass nur 30 % des Universums aus Materie bestehen, und der größte Teil davon ist dunkle Materie. Der Rest ist Energie.

In den 1980er Jahren gab es die ersten handfesten Beweise für dunkle Materie.

Die dunkle Materie ist das Skelett, an dem die gewöhnliche Materie hängt.

Zum Beispiel führte 1981 ein Team unter der Leitung von Marc Davis von der Harvard University eine der ersten galaktischen Untersuchungen durch. Sie stellten fest, dass die Galaxien nicht in einem einheitlichen Muster angeordnet sind. Sie sind „nicht einfach wie Zuckerguss auf einem Kuchen verstreut“, sagt Carlos Frenk von der Universität Durham im Vereinigten Königreich.

Stattdessen sammeln sich die Galaxien in großen Haufen, die jeweils Hunderttausende von Galaxien enthalten. Diese bilden verschlungene Muster, die als „kosmisches Netz“ bekannt sind. Dieses Netz wird durch die dunkle Materie zusammengehalten

Mit anderen Worten: Die dunkle Materie ist das Skelett, an dem die gewöhnliche Materie hängt, sagt Carolin Crawford von der University of Cambridge in Großbritannien. „Wir wissen, dass sie in der Frühzeit des Universums vorhanden sein musste. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass sich diese Materie in Clustern zusammenfindet, aus denen sich dann die Strukturen entwickeln, die wir sehen.“

Die Entdeckung dieser Cluster war eine Sensation, sagt Frenk. Davis, sein damaliger Chef, forderte ihn auf, herauszufinden, warum die Galaxien auf diese Weise angeordnet waren.

Als Frenk mit seiner Suche begann, stellte er fest, dass jemand behauptete, ihm zuvorgekommen zu sein. Im Jahr 1980 hatte ein russisches Team unter der Leitung von VA Lyubimov eine mögliche Erklärung für die dunkle Materie vorgelegt. Sie schlugen vor, dass sie aus Neutrinos besteht.

Wir fanden heraus, dass ein Universum mit heißer dunkler Materie überhaupt nicht wie ein reales Universum aussah

Es ergab einen gewissen Sinn. Neutrinos sind dunkle, geisterhafte Teilchen, die kaum mit etwas anderem interagieren. Die Forscher schlugen vor, dass die kombinierte Masse aller Neutrinos im Universum die fehlende Masse erklären könnte.

Es gab jedoch ein Problem. Neutrinos sind „heiße dunkle Materie“, das heißt, sie sind leicht und können sich daher schnell bewegen. Als Frenk einen Kosmos voller heißer dunkler Materie simulierte, stellte er fest, dass dies nicht funktionieren konnte.

„Zu unserer großen Enttäuschung stellten wir fest, dass ein Universum mit heißer dunkler Materie überhaupt nicht wie ein echtes Universum aussah“, sagt Frenk. „Es war zwar hübsch, aber nicht das, in dem wir leben. Es gab diesen riesigen Superhaufen von Galaxien, von dem wir wussten, dass er nicht existiert.“

Stattdessen muss die dunkle Materie kalt sein und sich langsam bewegen. Der nächste Schritt bestand darin, herauszufinden, wo sich diese kalte dunkle Materie befindet.

Auch wenn wir sie nicht direkt sehen können, verrät die dunkle Materie doch eines. Sie krümmt das Licht, das durch sie hindurchgeht. Es ist ein bisschen so, wie wenn Licht durch einen Swimmingpool oder ein mattiertes Badezimmerfenster scheint.

Wir haben zumindest eine grobe Vorstellung davon, wo sich die dunkle Materie befindet

Der Effekt wird „Gravitationslinsen“ genannt und kann dazu verwendet werden, herauszufinden, wo sich die Wolken aus dunkler Materie befinden. Mit dieser Technik erstellen Wissenschaftler Karten der dunklen Materie des Universums.

Bisher haben sie nur einen Bruchteil kartiert. Aber das Team, das hinter einem solchen Projekt steht, hat ehrgeizige Ziele: Es hofft, ein Achtel unseres Universums zu kartieren, was Millionen von Galaxien entspricht. Zum Vergleich: Unsere eigene Galaxie, die Milchstraße, enthält Milliarden von Sternen und möglicherweise bis zu 100 Milliarden Planeten.

Im Moment sind diese Karten noch zu grob, um irgendwelche Details zu zeigen. Das ist so, als ob man eine grobe Vorstellung von den Kontinenten auf der Erde hätte, aber was einen wirklich interessiert, sind die Formen der Berge und Seen, sagt Gary Prezeau vom Jet Propulsion Laboratory der Nasa am California Institute of Technology.

Aber wir haben zumindest eine grobe Vorstellung davon, wo die dunkle Materie ist. Aber wir wissen immer noch nicht, worum es sich handelt.

Es gibt verschiedene Ideen, aber die populärste Vermutung ist, dass die dunkle Materie aus einer neuen Art von Teilchen besteht, die von der Theorie vorhergesagt, aber nie entdeckt wurden. Sie werden WIMPs genannt: Weakly Interacting Massive Particles (schwach wechselwirkende massive Teilchen).

Der Begriff „WIMP“ ist nur ein Schlagwort und könnte viele verschiedene Arten von Teilchen umfassen

WIMPs sind in jeder Hinsicht schwach, sagt Anne Green von der Universität Nottingham in Großbritannien. Erstens wechselwirken sie kaum miteinander, geschweige denn mit normaler Materie. Wenn man gegen eine Wand stößt, prallt man mit der Hand dagegen, aber wenn ein WIMP gegen eine Wand oder sich selbst stößt, geht es in der Regel einfach hindurch.

Der zweite Teil des Akronyms spricht für sich selbst. WIMPs haben eine große Masse, obwohl sie nicht unbedingt groß sind. Sie könnten hunderte oder tausende Male mehr wiegen als ein Proton, sagt Green.

Das Problem ist, dass wir es nicht wissen.

Der Begriff „WIMP“ ist nur ein Schlagwort und könnte viele verschiedene Arten von Teilchen umfassen, sagt Massey. Schlimmer noch, weil sie angeblich so geisterhaft sind, sind sie extrem schwer aufzuspüren.

An dieser Stelle werden Sie vielleicht frustriert die Arme hochreißen. „Erst haben sie beschlossen, dass es all diese unsichtbare Materie gibt, und jetzt haben sie beschlossen, dass sie aus einer neuen Art von Zeug besteht, das sie nicht nachweisen können! Das ist doch albern.“ Nun, du bist nicht der erste, der das sagt.

Schon 1983 haben einige Physiker behauptet, dass die dunkle Materie überhaupt nicht existiert. Stattdessen müssen die Gesetze der Schwerkraft, wie wir sie kennen, falsch sein, und deshalb verhalten sich die Galaxien so seltsam. Diese Idee wird MOND genannt, kurz für „Modifizierte Newtonsche Dynamik“.

Wer eine neue Theorie der Schwerkraft erfinden will, muss es besser machen als Einstein

„Wir interpretieren all diese Karussells des Universums, wie sie herumschwirren und von der Schwerkraft gezogen werden, in der Annahme, dass wir wissen, wie die Schwerkraft funktioniert“, sagt Massey. „

Das Problem, sagt Massey, ist, dass die MOND-Befürworter keine brauchbare Alternative zur dunklen Materie gefunden haben: Ihre Ideen können die Daten nicht erklären. „Jeder, der eine neue Theorie der Schwerkraft erfinden will, muss besser sein als Einstein und alles erklären, was er erklären konnte, und auch die dunkle Materie erklären.“

Im Jahr 2006 veröffentlichte die NASA ein spektakuläres Bild, das für viele Forscher das endgültige Aus für MOND bedeutete.

Das Bild zeigt zwei riesige Galaxienhaufen, die zusammenstoßen. Da der größte Teil der Materie deutlich im Zentrum zu sehen ist, würde man erwarten, dass dort die meiste Schwerkraft vorhanden ist.

Es gibt drei verschiedene Möglichkeiten, dunkle Materie zu finden

Aber die äußeren Regionen zeigen Licht, das ebenfalls durch die Schwerkraft gebeugt wird, was darauf hindeutet, dass es in diesen Bereichen eine andere Form von Materie gibt. Das Bild wurde als direkter Beweis für die Existenz von dunkler Materie gefeiert.

Wenn das stimmt, sind wir wieder da, wo wir waren. Die Herausforderung besteht darin, die dunkle Materie zu finden, wenn wir nicht wissen, wonach wir suchen.

Das klingt vielleicht schlimmer als das alte Nadel-im-Heuhaufen-Problem, aber tatsächlich gibt es drei verschiedene Möglichkeiten, sie zu finden.

Die erste Möglichkeit besteht darin, die dunkle Materie in Aktion im Kosmos zu beobachten. Indem sie ihr Verhalten anhand der bestehenden „Karten“ der dunklen Materie beobachten, können die Astronomen möglicherweise einen gelegentlichen Absturz feststellen.

Sie fanden einen Bereich unserer Milchstraßengalaxie, der mit Gammastrahlen zu glühen scheint

Dunkle Materieteilchen durchdringen normalerweise normale Materie. Aber ihre schiere Anzahl bedeutet, dass einige von ihnen gelegentlich mit dem Kern eines Atoms kollidieren.

Wenn dies geschieht, „stößt“ die dunkle Materie das Atom und lässt es wie eine Billardkugel zurückprallen. Bei dieser Kollision sollten Gammastrahlen entstehen: extrem hochenergetisches Licht. Bei diesen seltenen Gelegenheiten „kann die dunkle Materie leuchten“, sagt Frenk.

„Es gibt Experimente zum direkten Nachweis, die nach diesen Kernrückstößen suchen“, sagt Green.

Im Jahr 2014 behaupteten Forscher, mithilfe von Daten des leistungsstarken Fermi-Teleskops der NASA die Gammastrahlen aus diesen Kollisionen entdeckt zu haben. Sie fanden einen Bereich unserer Milchstraßengalaxie, der mit Gammastrahlen zu glühen scheint, möglicherweise von dunkler Materie.

Die Muster passen zu theoretischen Modellen, aber es ist noch unklar, ob die Gammastrahlen wirklich von dunkler Materie stammen. Sie könnten auch von energiereichen Sternen, so genannten Pulsaren, oder von kollabierenden Sternen stammen.

Die dunkle Materie kollidiert nicht nur mit normaler Materie, sondern stößt auch gelegentlich mit sich selbst zusammen, und auch das kann man sehen.

Man kann eine galaxiengroße Wolke aus dunkler Materie nicht einfach unter ein Mikroskop legen.

Masseys Team hat vor kurzem beobachtet, wie Galaxien ineinander krachen. Sie erwarteten, dass die gesamte dunkle Materie in den Galaxien geradewegs hindurchfliegen würde, aber stattdessen verlangsamte sich ein Teil von ihr und blieb hinter der Galaxie zurück, zu der sie gehörte.

Das deutet darauf hin, dass sie mit anderer dunkler Materie interagiert hatte. „Wenn das der Fall war, dann ist das der erste Beweis dafür, dass sie sich ein klein wenig um den Rest der Welt kümmert“, sagt Massey.

Beide Methoden haben einen großen Nachteil: Man kann eine galaxiengroße Wolke dunkler Materie nicht einfach unter das Mikroskop legen. Sie sind zu groß und zu weit weg.

Eine zweite Möglichkeit, dunkle Materie nachzuweisen, wäre also, sie erst einmal zu erzeugen.

Physiker hoffen, genau das mit Hilfe von Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider (LHC) in Genf, Schweiz, zu erreichen.

Der LHC lässt Protonen mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit zusammenstoßen. Diese Kollisionen sind stark genug, um die Protonen in ihre Einzelteile zu zerlegen. Der LHC untersucht dann diese subatomaren Trümmer.

Bei diesen starken Kollisionen könnten durchaus neue Teilchen wie WIMPs entdeckt werden, sagt Malcolm Fairbairn vom Kings College London in Großbritannien.

„Wenn WIMPs die dunkle Materie bilden und wir sie am LHC entdecken, dann haben wir gute Chancen, herauszufinden, woraus die dunkle Materie im Universum besteht“, sagt er.

Wenn die dunkle Materie jedoch nicht wie ein WIMP aussieht, wird der LHC sie nicht aufspüren.

Wissenschaftler warten auf die seltenen Fälle, in denen WIMPs mit normaler Materie kollidieren

Es gibt noch ein weiteres Problem. Sollte der LHC tatsächlich dunkle Materie erzeugen, würde sie von seinen Detektoren nicht registriert werden.

Stattdessen könnte das System eine Gruppe von Teilchen finden, die sich in eine Richtung bewegen, aber nichts in die andere, sagt Fairbairn. Das könne nur passieren, wenn etwas anderes in Bewegung sei, das die Detektoren nicht erfassen könnten. „Das könnte dann ein Teilchen der dunklen Materie sein.“

Wenn auch das scheitert, haben die Physiker noch eine dritte Möglichkeit: eine Reise tief in den Untergrund.

In alten Bergwerken und im Inneren von Bergen warten die Wissenschaftler auf die seltenen Fälle, in denen WIMPs mit normaler Materie kollidieren – die gleiche Art von Kollisionen, die das Fermi-Teleskop vielleicht im tiefen Weltraum beobachtet hat.

Milliarden von Teilchen aus dunkler Materie passieren uns jede Sekunde. „Sie sind in Ihrem Büro, in Ihrem Zimmer, überall“, sagt Frenk. „

Es gab einige Fehlalarme auf dem Weg

In der Theorie sollten wir in der Lage sein, die kleinen Gammastrahlenblitze dieser Kollisionen zu erkennen. Das Problem ist, dass viele andere Dinge ebenfalls durchdringen, darunter auch Strahlung in Form von kosmischer Strahlung, die das Signal der dunklen Materie überlagert.

Daher die unterirdischen Experimente: Das Gestein darüber blockiert die meiste Strahlung, lässt aber die dunkle Materie durch.

Bislang haben wir, da sind sich die meisten Physiker einig, noch keine überzeugenden Signale von diesen Detektoren gesehen. Ein im August 2015 veröffentlichtes Papier erklärt, dass der XENON100-Detektor im italienischen Gran Sasso National Laboratory nichts gefunden hat.

Es gab einige Fehlalarme auf dem Weg. Ein anderes Team desselben Labors, das einen anderen Detektor verwendet, hat jahrelang behauptet, dass ihr DAMA-Experiment dunkle Materie entdeckt habe. Sie scheinen tatsächlich etwas gefunden zu haben, aber die meisten Physiker sagen, dass es sich nicht um ein WIMP handelt.

Einer dieser Detektoren oder der LHC könnten noch dunkle Materie finden. Aber sie an einem Ort zu finden, wird nicht ausreichen.

Es ist eine demütigende Erinnerung daran, wie weit wir noch gehen müssen, bevor wir unser Universum wirklich verstehen

„Letztendlich werden wir dunkle Materie auf mehr als eine Weise entdecken müssen, um sicher zu sein, dass das, was wir im Labor beobachten, dasselbe Zeug ist, das in den Galaxien herumfliegt“, sagt Fairbairn.

Zurzeit bleibt der größte Teil unseres Universums dunkel, und es ist nicht klar, wie lange das so bleiben wird.

Einige Kosmologen, darunter Frenk, sind zuversichtlich, dass wir im nächsten Jahrzehnt einige Antworten erhalten werden. Andere, wie Green, sind weniger zuversichtlich. Wenn der LHC nicht bald etwas findet, sagt sie, suchen wir wahrscheinlich nach dem Falschen.

Es ist über 80 Jahre her, dass Zwicky erstmals die Existenz dunkler Materie vermutete. In all dieser Zeit ist es uns nicht gelungen, eine Probe in die Hände zu bekommen oder herauszufinden, worum es sich handelt.

Es ist eine demütigende Erinnerung daran, wie weit wir noch gehen müssen, bevor wir unser Universum wirklich verstehen. Wir mögen alles Mögliche verstehen, vom Beginn des Universums bis zur Entwicklung des Lebens auf der Erde. Aber das meiste in unserem Universum ist immer noch eine Blackbox, deren Geheimnisse darauf warten, entschlüsselt zu werden.

Melissa Hogenboom ist die Feature-Autorin von BBC Earth, sie ist @melissasuzanneh auf Twitter.

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