Jos avaruusolento onnistuisi vierailemaan maailmankaikkeudessamme rinnakkaistodellisuudesta, on hyvin todennäköistä, ettei se edes huomaisi meidän olemassaoloamme.

Tietyllä tavalla se on itsestäänselvyys: maailmankaikkeus on valtava, ja planeettamme on vain pieni, vaaleansininen piste. Mutta se on vielä pahempaa: muukalaiset eivät välttämättä edes huomaa kaikkia tähtiä ja niitä kiertäviä planeettoja. Heiltä saattavat jopa jäädä huomaamatta avaruudessa leijuvat valtavat pölypilvet.

Kaikki nämä tutut asiat muodostavat vain murto-osan maailmankaikkeutemme aineesta. Loppuosa on jotain muuta, ainetta, jota kukaan maapallolla ei ole koskaan nähnyt.

Fyysikot kutsuvat tätä ainetta paremman nimen puutteessa ”pimeäksi aineeksi”. Jos sitä ei olisi, galaksit lentäisivät hajalle. Kukaan ei tiedä, mitä se on, mutta fyysikot ovat sen jäljillä.

Kaikki, mitä näet ympärilläsi, omasta kehostasi planeettaan, jolla seisot, ja tähtiin taivaalla, on tehty atomeista. Nämä puolestaan koostuvat pienemmistä hiukkasista, kuten protoneista ja neutroneista, joista monet voidaan pilkkoa vielä pidemmälle.

Kun fyysikot alkoivat ymmärtää atomien rakennetta 1900-luvun alussa, näytti siltä, että olimme ymmärtämässä kaiken maailmankaikkeuden aineen perustan.

Mutta vuonna 1933 sveitsiläinen tähtitieteilijä Fritz Zwicky alkoi väittää, että suurimman osan maailmankaikkeudesta täytyi koostua jostain aivan muusta.

Zwicky laski yhteen kaiken sen aineen, jonka hän pystyi havaitsemaan galaksien ryhmissä. Hän havaitsi, että siellä ei ollut tarpeeksi ainetta selittääkseen niitä yhteen pitävän painovoiman.

Tämä oli hullu teoreetikko, joka ei saanut voimiaan laskettua yhteen.

Zwickyn havaitsemat galaksit myös pyörivät niin nopeasti, että niiden olisi pitänyt heittäytyä irti ja hajota kaikkialle maailmankaikkeuteen, sanoo Richard Massey Durhamin yliopistosta Britanniassa. Jokainen galaksi oli kuin liian nopeasti pyörivä karuselli: kaikki ratsastajat heittäytyisivät pois.

Zwicky tajusi, että siellä täytyi olla jotakin muuta, jota hän ei pystynyt suoraan havainnoimaan, mutta jolla oli tarpeeksi voimakas gravitaatioveto pitääkseen kaiken kasassa. Hän sanoi, että tämä tuntematon ainemuoto oli ”pimeää”.

Zwickyä pidettiin tuolloin eksentrikkona, eikä hänen teorioihinsa suhtauduttu vakavasti. ”Tämä oli hullu teoreetikko, joka ei saanut voimiaan täsmäämään, ja niinpä hän keksi kokonaan uuden aineen muodon”, Massey sanoo.

Zwickyn työ unohdettiin suurelta osin, kunnes 1970-luvulla tähtitieteilijä Vera Rubin havaitsi, että läheiset galaksit eivät pyörineet oikealla tavalla.

Jotain on täytynyt olla olemassa, jotta nämä tähdet eivät olisi voineet lentää pois.

Aurinkokunnassamme pätee yksinkertaisen yksinkertainen sääntö. Mitä kauempana planeetta on Auringosta, sitä heikompi on painovoiman ote. Tämän seurauksena tämä planeetta liikkuu hitaammin ja kiertoradan suorittaminen kestää kauemmin.

Saman logiikan pitäisi päteä tähtiin, jotka kiertävät galaksin keskustaa. Kaukaisimpien tähtien pitäisi liikkua hitaimmin, kun painovoiman ote heikkenee.

Sen sijaan Rubin havaitsi, että kaukaisimmat tähdet liikkuvat yhtä nopeasti kuin läheiset tähdet.

Jotain on täytynyt olla, joka estää näitä tähtiä lentämästä pois. Zwicky oli sittenkin ollut oikeilla jäljillä.

Tähtitieteilijät uskovat nyt, että pimeä aine on ollut perustavanlaatuisen tärkeää maailmankaikkeuden luomisessa sellaisena kuin me sen tunnemme.

Pimeä aine on kuin tuuli: emme voi suoraan nähdä sitä, mutta tiedämme, että se on olemassa

Vähän 14 miljardia vuotta sitten, hetki alkuräjähdyksen jälkeen, maailmankaikkeus alkoi laajeta nopeasti, ja galaksijoukkoja alkoi muodostua.

Mutta maailmankaikkeus ei laajentunut niin nopeasti, että kaikki nämä galaksit olisivat lentäneet kauas kaukaisiin nurkkiin. Tämä johtuu siitä, että pimeä aine ankkuroi kaiken yhteen, vaikka se onkin näkymätöntä.

Jossain mielessä pimeä aine on kuin tuuli: emme voi suoraan nähdä sitä, mutta tiedämme sen olevan olemassa. Lisäksi sitä on paljon: noin 25 % maailmankaikkeudesta.

Hämmentävää kyllä, joskus sanotaan, että pimeän aineen osuus maailmankaikkeuden kaikesta aineesta on noin 80 %. Tämä johtuu siitä, että vain 30 % maailmankaikkeudesta koostuu aineesta, ja suurin osa siitä on pimeää ainetta. Loppuosa on energiaa.

1980-luvulle tultaessa saatiin ensimmäiset vankat todisteet pimeästä aineesta.

Pimeä aine on se luuranko, jonka varassa tavallinen aine roikkuu.

Vuonna 1981 esimerkiksi Harvardin yliopistossa toimivan Marc Davisin johtama ryhmä suoritti yhden ensimmäisistä galaktisista tutkimuksista. He huomasivat, että galaksit eivät olleet järjestäytyneet yhtenäisiin kuvioihin. Niitä ”ei ole ripoteltu ympäriinsä kuin kuorrutetta kakun päälle”, sanoo Carlos Frenk Durhamin yliopistosta Isosta-Britanniasta.

Sen sijaan galaksit kerääntyvät suuriksi klustereiksi, joista jokainen sisältää satoja tuhansia galakseja. Nämä muodostavat monimutkaisia kuvioita, jotka tunnetaan nimellä ”kosminen verkko”. Tämä verkko on sidottu yhteen pimeällä aineella.

Pimeä aine on toisin sanoen luuranko, jonka varassa tavallinen aine roikkuu, sanoo Carolin Crawford Cambridgen yliopistosta Britanniassa. ”Tiedämme, että sen täytyi olla olemassa varhaisessa maailmankaikkeudessa. On ratkaisevan tärkeää, että se aine on klusteroitunut yhteen, josta sitten kehittyy näkemiämme rakenteita.”

Näiden klustereiden löytyminen aiheutti sensaation, sanoo Frenk. Davis, hänen silloinen esimiehensä, haastoi hänet selvittämään, miksi galaksit olivat järjestäytyneet näin.

Kun Frenk aloitti etsinnät, hän huomasi, että joku väitti ehtineensä ennen häntä. Vuonna 1980 VA Ljubimovin johtama venäläinen ryhmä oli esittänyt mahdollisen selityksen pimeälle aineelle. He ehdottivat, että se koostui neutriinoista.

Havaitsimme, että kuumaa pimeää ainetta sisältävä maailmankaikkeus ei näyttänyt yhtään todelliselta maailmankaikkeudelta

Se oli jossain määrin järkevää. Neutriinot ovat pimeitä, aavemaisia hiukkasia, jotka tuskin vuorovaikuttavat minkään muun kanssa. Tutkijat ehdottivat, että maailmankaikkeuden kaikkien neutriinojen yhteenlaskettu massa voisi selittää puuttuvan massan.

Tässä oli yksi ongelma. Neutriinot ovat ”kuumaa pimeää ainetta”, eli ne ovat kevyitä ja pystyvät siksi liikkumaan nopeasti. Kun Frenk simuloi kosmosta, joka oli täynnä kuumaa pimeää ainetta, hän huomasi, ettei se voisi toimia.

”Suureksi pettymykseksemme huomasimme, ettei kuumaa pimeää ainetta sisältävä maailmankaikkeus näyttänyt yhtään todelliselta maailmankaikkeudelta”, Frenk sanoo. ”Se oli kaunis, mutta ei sellainen, jossa me elämme. Siellä oli valtava galaksien superjoukko, jota emme tienneet olevan olemassa.”

Sen sijaan pimeän aineen täytyy olla kylmää ja hitaasti liikkuvaa. Seuraava askel oli selvittää, missä tämä kylmä pimeä aine on.

Vaikka emme voi nähdä sitä suoraan, pimeä aine tekee yhden asian paljastaakseen itsensä. Se taivuttaa sen läpi kulkevaa valoa. Se on vähän kuin silloin, kun valo paistaa uima-altaan tai huurteisen kylpyhuoneen ikkunan läpi.

Meillä on ainakin karkea käsitys siitä, missä pimeää ainetta on

Efektiä kutsutaan ”gravitaatiolinssi-ilmiöksi”

Efektiä kutsutaan ”gravitaatiolinssi-ilmiöksi”, ja sen avulla voidaan selvittää, missä pimeän aineksen pilviä on. Tämän tekniikan avulla tutkijat luovat karttoja maailmankaikkeuden pimeästä aineesta.

Tällä hetkellä he ovat kartoittaneet vain murto-osan. Erään tällaisen projektin takana olevalla ryhmällä on kuitenkin kunnianhimoiset tavoitteet, sillä se toivoo saavansa kartoitettua kahdeksasosan maailmankaikkeudestamme, mikä vastaa miljoonia galakseja. Omassa galaksissamme, Linnunradassa, on miljardeja tähtiä ja mahdollisesti jopa 100 miljardia planeettaa.

Toistaiseksi nämä kartat ovat liian karkeat, jotta niistä näkyisi mitään yksityiskohtia. Se on kuin sanoisi, että sinulla on peruskäsitys Maan mantereista, mutta oikeasti sinua kiinnostavat vuorten ja järvien muodot, sanoo Gary Prezeau Nasan Jet Propulsion Laboratorysta Kalifornian teknologiainstituutissa.

Siltikin meillä on ainakin karkea käsitys siitä, missä pimeä aine on. Mutta emme vieläkään tiedä, mitä se on.

Es on esitetty useita ideoita, mutta tällä hetkellä suosituin ehdotus on, että pimeä aine koostuu uudenlaisesta hiukkasesta, jonka teoria on ennustanut mutta jota ei ole koskaan havaittu. Niitä kutsutaan WIMP:iksi: Weakly Interacting Massive Particles.

Termi ”WIMP” on vain iskulause, ja se voi sisältää monenlaisia hiukkasia.

WIMP:t ovat heikkoja kaikin puolin, sanoo Anne Green Nottinghamin yliopistosta Britanniasta. Ensinnäkin ne tuskin vuorovaikuttavat toistensa kanssa, saati tavallisen aineen kanssa. Kun törmäät seinään, kätesi törmää siihen, mutta kun WIMP törmää seinään tai itseensä, se menee yleensä suoraan läpi.

Lyhenteen toinen osa puhuu puolestaan. WIMPeillä on paljon massaa, vaikka ne eivät välttämättä olekaan suuria. Ne voivat painaa satoja tai tuhansia kertoja enemmän kuin protoni, Green sanoo.

Juttu on niin, ettemme tiedä.

Termi ”WIMP” on pelkkä iskulause, ja se voi käsittää monia erilaisia hiukkasia, Massey sanoo. Mikä pahinta, koska ne ovat oletettavasti niin aavemaisia, niitä on äärimmäisen vaikea havaita.

Tässä vaiheessa saatat heittää kädet ylös turhautuneena. ”Ensin he päättivät, että on olemassa kaikkea näkymätöntä ainetta, ja nyt he ovat päättäneet, että se on tehty jostain uudentyyppisestä aineesta, jota he eivät pysty havaitsemaan!”. Tämä on typerää.” No, et ole ensimmäinen, joka sanoo niin.

Jo vuonna 1983 jotkut fyysikot ovat väittäneet, ettei pimeää ainetta ole lainkaan olemassa. Sen sijaan painovoiman lakien, kuten me ne tunnemme, täytyy olla väärässä, ja siksi galaksit käyttäytyvät niin oudosti. Tätä ajatusta kutsutaan MOND:ksi, joka on lyhenne sanoista ”Modified Newtonian Dynamics” (muunnettu newtonilainen dynamiikka).

Kenen tahansa, joka haluaa keksiä uuden painovoimateorian, on mentävä Einsteinia paremmin

”Tulkitsemme kaikkia näitä maailmankaikkeuden karuselleja, sitä, miten ne pörräävät ympäriinsä ja miten painovoima vetää niitä puoleensa, olettaen, että tiedämme, miten painovoima toimii”, Massey sanoo. ”Ehkä olemme ymmärtäneet painovoiman väärin ja tulkitsemme todisteita väärin.”

Masseyn mukaan ongelma on se, että MOND:n kannattajat eivät ole keksineet käyttökelpoista vaihtoehtoa pimeälle aineelle: heidän ideansa eivät pysty selittämään tietoja. ”Kenen tahansa, joka haluaa keksiä uuden painovoimateorian, on mentävä Einsteinia paremmaksi ja selitettävä kaikki se, minkä hän pystyi selittämään, ja selitettävä myös pimeä aine.”

Vuonna 2006 NASA julkaisi näyttävän kuvan, joka monien tutkijoiden mielestä tappoi MONDin lopullisesti.

Kuvassa näkyy kaksi valtavaa galaksijoukkoa törmäilemässä. Koska suurin osa aineesta näkyy selvästi keskellä, siellä voisi olettaa olevan eniten painovoimaa.

Pimeää ainetta voi löytää kolmella eri tavalla

Mutta uloimmilla alueilla näkyy valoa, joka myös taipuu painovoiman vaikutuksesta, mikä viittaa siihen, että näillä alueilla on toisenlaista ainetta. Kuvaa kehuttiin suoraksi todisteeksi pimeän aineen olemassaolosta.

Jos se pitää paikkansa, olemme taas siellä missä olimme. Haasteena on pimeän aineen löytäminen, kun emme tiedä, mitä etsimme.

Se saattaa kuulostaa pahemmalta kuin vanha neula heinäsuovassa -ongelma, mutta itse asiassa pimeän aineen löytämiseen on kolme erilaista tapaa.

Ensimmäinen tapa on havainnoida pimeää ainetta toiminnassa kosmoksessa. Seuraamalla sen käyttäytymistä olemassa olevien pimeän aineen ”karttojen” avulla tähtitieteilijät voivat havaita satunnaisen törmäyksen.

He löysivät Linnunratagalaksistamme alueen, joka näyttää hehkuvan gammasäteilyä

Pimeän aineen hiukkaset kulkevat yleensä normaalin aineen läpi. Mutta niiden suuri määrä tarkoittaa, että hyvin satunnaisesti jotkut törmäävät atomin ytimeen.

Tällöin pimeä aine ”potkaisee” atomia, jolloin se kimpoaa kuin biljardipallo. Tämän törmäyksen pitäisi synnyttää gammasäteitä: äärimmäisen korkeaenergistä valoa. Näissä harvinaisissa tilanteissa ”pimeä aine voi loistaa”, Frenk sanoo.

”On olemassa suoria havaintokokeita, jotka etsivät näitä ydinkappaleiden takaiskahduksia”, Green sanoo.

Vuonna 2014 tutkijat väittivät NASA:n tehokkaan Fermi-teleskoopin datan avulla havainneensa gammasäteitä näistä törmäyksistä. He löysivät Linnunratagalaksistamme alueen, joka näyttää hehkuvan gammasäteistä, jotka ovat mahdollisesti peräisin pimeästä aineesta.

Kuviot sopivat teoreettisiin malleihin, mutta vielä ei tiedetä, ovatko gammasäteet todella peräisin pimeästä aineesta. Ne ovat voineet tulla myös energisistä tähdistä, joita kutsutaan pulsareiksi, tai romahtavista tähdistä.

Pimeä aine voi törmätä normaalin aineen kanssa, mutta myös pimeä aine voi joskus törmätä itseensä, ja sekin voidaan nähdä.

Masseyn ryhmä on hiljattain tarkkaillut galaksin kokoista pimeän aineen pilveä ja laittanut sen mikroskoopin alle.

Masseyn ryhmä on tarkkaillut hiljattain galakseja, jotka ovat törmänneet toisiinsa. He odottivat, että kaikki galaksien pimeä aine kulkisi suoraan läpi, mutta sen sijaan osa siitä hidastui ja jäi jälkeen galaksista, johon se kuului.

Tämä osoittaa, että se oli ollut vuorovaikutuksessa muun pimeän aineen kanssa. ”Jos se oli vuorovaikutuksessa, se on ensimmäinen todiste siitä, että se välittää hiukan muusta maailmasta”, Massey sanoo.

Kummallakin menetelmällä on suuri haittapuoli: galaksin kokoista pimeän aineen pilveä ei voi napata ja laittaa mikroskoopin alle. Ne ovat liian suuria ja liian kaukana.

Siten toinen tapa havaita pimeää ainetta olisi luoda sitä ensin.

Fyysikot toivovat voivansa tehdä juuri niin käyttämällä hiukkastörmäyttimiä, kuten Sveitsin Genevessä sijaitsevaa Suurta Hadronitörmäytintä (LHC, Large Hadron Collider).

LHC:ssä protonit törmäytetään toisiinsa lähes valon nopeudella. Nämä törmäykset ovat tarpeeksi voimakkaita hajottaakseen protonit osiinsa. Tämän jälkeen LHC tutkii näitä subatomisia jäänteitä.

Näissä voimakkaissa törmäyksissä voidaan hyvinkin löytää uusia hiukkasia, kuten WIMP:ejä, sanoo Malcolm Fairbairn Kings College Londonista Isosta-Britanniasta.

”Jos WIMP:t muodostavat pimeän aineen ja löydämme ne LHC:llä, meillä on hyvät mahdollisuudet selvittää, mistä maailmankaikkeuden pimeä aine koostuu”, Fairbairn sanoo.

Mutta jos pimeä aine ei ole WIMPien kaltaista, LHC ei havaitse sitä.

Tutkijat odottavat niitä harvinaisia tilanteita, joissa WIMPit törmäävät tavalliseen aineeseen

On toinenkin vaikeus. Jos LHC:ssä syntyy pimeää ainetta, se ei varsinaisesti näkyisi sen ilmaisimissa.

Sen sijaan järjestelmästä saattaisi löytyä joukko hiukkasia, jotka liikkuvat yhteen suuntaan mutta eivät mitään toiseen suuntaan, Fairbairn sanoo. Näin voisi tapahtua vain, jos liikkeellä olisi jotain muuta, jota ilmaisimet eivät pystyisi havaitsemaan. ”Se voisi silloin olla pimeän aineen hiukkanen.”

Jos tämäkään ei onnistu, fyysikoilla on kolmas vaihtoehto, johon turvautua: matkustaa syvälle maan alle.

Tutkijat odottavat vanhoissa kaivoksissa ja vuorten sisällä niitä harvinaisia tapauksia, joissa WIMP:t törmäävät tavalliseen aineeseen – samantyyppisiä törmäyksiä, joita Fermi-teleskooppi on saattanut havaita syvässä avaruudessa.

Miljardit pimeän aineen hiukkaset kulkevat lävitsemme joka sekunti. ”Niitä on toimistossasi, huoneessasi, kaikkialla”, Frenk sanoo. ”Ne kulkevat kehonne läpi miljardeja sekunnissa, ettekä tunne mitään.”

Matkalla on ollut vääriä hälytyksiä

Teoriassa meidän pitäisi pystyä havaitsemaan näiden törmäysten aiheuttamat pienet gammasäteiden välähdykset. Ongelmana on se, että paljon muutakin kulkee läpi, myös kosmisen säteilyn muodossa olevaa säteilyä, ja tämä peittää pimeän aineen signaalin.

Sentähän maanalaiset kokeet ovat: yläpuolella olevat kivet estävät suurimman osan säteilystä, mutta päästävät pimeän aineen läpi.

Toistaiseksi useimmat fyysikot ovat yhtä mieltä siitä, ettemme ole vielä nähneet vakuuttavia signaaleja näiltä ilmaisimilta. Elokuussa 2015 julkaistussa artikkelissa kerrotaan, että italialaisessa Gran Sasson kansallisessa laboratoriossa sijaitseva XENON100-ilmaisin ei ole löytänyt mitään.

Matkalla on ollut joitakin vääriä hälytyksiä. Toinen ryhmä samasta laboratoriosta, joka käytti eri ilmaisinta, väitti vuosia, että heidän DAMA-kokeensa oli havainnut pimeää ainetta. He näyttävät löytäneen jotain, mutta useimmat fyysikot sanovat, ettei se ole WIMP.

Jollain näistä ilmaisimista tai LHC:llä saatetaan vielä löytää pimeää ainetta. Mutta sen löytäminen yhdestä paikasta ei riitä.

Se on nöyryyttävä muistutus siitä, miten pitkä matka meillä on vielä edessämme, ennen kuin todella ymmärrämme maailmankaikkeuttamme.

”Viime kädessä meidän on löydettävä pimeää ainetta useammalla kuin yhdellä tavalla ollaksemme varmoja siitä, että se, mitä havainnoimme laboratoriossa, on samaa ainetta, joka lentää ympäriinsä galakseissa”, Fairbairn sanoo.

Toistaiseksi suurin osa maailmankaikkeudestamme on edelleen pimeää, eikä ole selvää, kuinka kauan se pysyy sellaisena.

Jotkut kosmologit, Frenk heidän joukossaan, ovat toiveikkaita, että saamme vastauksia ensi vuosikymmenellä. Toiset, kuten Green, eivät ole yhtä luottavaisia. Jos LHC ei löydä jotain pian, hän sanoo, etsimme luultavasti väärää asiaa.

On kulunut yli 80 vuotta siitä, kun Zwicky ensimmäisen kerran ehdotti pimeän aineen olemassaoloa. Koko tuona aikana emme ole saaneet käsiimme näytettä, emmekä ole pystyneet määrittelemään, mitä se on.

Se on nöyryyttävä muistutus siitä, miten pitkä matka meillä on vielä edessämme, ennen kuin todella ymmärrämme maailmankaikkeuttamme. Saatamme ymmärtää kaikenlaista maailmankaikkeuden alusta elämän evoluutioon maapallolla. Mutta suurin osa maailmankaikkeudestamme on yhä musta laatikko, jonka salaisuudet odottavat avaamistaan.

Melissa Hogenboom on BBC Earth -lehden kirjoittaja, Twitterissä hän on @melissasuzanneh.

Tseuraa BBC Earthia Facebookissa, Twitterissä ja Instagramissa.