Ha egy földönkívülinek sikerülne egy párhuzamos valóságból meglátogatnia a mi Univerzumunkat, nagy az esélye, hogy észre sem vennék, hogy létezünk.

Ez bizonyos szempontból nyilvánvaló: az Univerzum hatalmas, a mi bolygónk pedig csak egy apró, halványkék pont. De ennél is rosszabb a helyzet: az idegenek talán észre sem veszik az összes csillagot és a körülöttük keringő bolygókat. Még az űrben lebegő hatalmas porfelhők is elkerülhetik a figyelmüket.

Mindezek az ismerős dolgok csak egy töredékét teszik ki a mi Univerzumunk anyagának. A többi valami más, egy olyan anyag, amit a Földön még senki sem látott.

Jobb elnevezés híján a fizikusok ezt az anyagot “sötét anyagnak” nevezik. Ha nem lenne ott, a galaxisok szétrepülnének. Senki sem tudja, hogy mi ez, de a fizikusok a nyomában vannak.

Minden, amit magunk körül látunk, a saját testünktől kezdve a bolygónkon, amelyen állunk, és az égen lévő csillagokon át, atomokból áll. Ezek viszont kisebb részecskékből, például protonokból és neutronokból épülnek fel, amelyek közül sok még tovább bontható.

Amikor a fizikusok a 20. század elején elkezdték megérteni az atomok felépítését, úgy tűnt, hogy hamarosan megértjük az Univerzumban lévő összes anyag alapját.

De 1933-ban egy Fritz Zwicky nevű svájci csillagász azzal kezdett érvelni, hogy az Univerzum nagy része valami egészen másból kell, hogy álljon.

Zwicky összeszámolta az összes anyagot, amit galaxiscsoportokban megfigyelt. Azt találta, hogy ott nem volt elég anyag ahhoz, hogy a gravitációs erő, ami összetartotta őket, megmagyarázza.

Ez egy őrült teoretikus volt, aki nem tudta összeadni az erőit.

A Zwicky által megfigyelt galaxisok ráadásul olyan gyorsan pörögtek, hogy el kellett volna repülniük és szétszóródniuk az Univerzum minden szegletébe – mondja Richard Massey, a Durham Egyetemről, az Egyesült Királyságból. Minden galaxis olyan volt, mint egy túl gyorsan forgó körhinta: bármelyik lovas kidobott volna magából.

Zwicky rájött, hogy kell lennie ott valami másnak is, amit nem tudott közvetlenül megfigyelni, de elég erős gravitációs vonzással rendelkezett ahhoz, hogy mindent egyben tartson. Azt mondta, hogy az anyagnak ez az ismeretlen formája “sötét”.

Akkoriban különcnek tartották, és elméleteit nem vették komolyan. “Ez egy őrült teoretikus volt, aki nem tudta elérni, hogy az erői összeadódjanak, és ezért feltalált egy teljesen új anyagformát” – mondja Massey.

Zwicky munkája nagyrészt feledésbe merült egészen az 1970-es évekig, amikor Vera Rubin csillagász felfedezte, hogy a közeli galaxisok nem a megfelelő módon forognak.

Valaminek ott kellett lennie, hogy ezek a csillagok ne repüljenek el

A mi Naprendszerünkben egy egyszerű szabály érvényes. Minél távolabb van egy bolygó a Naptól, annál gyengébb a gravitáció tartása. Ennek következtében ez a bolygó lassabban mozog, és tovább tart egy pálya teljesítése.

Ugyanennek a logikának kell érvényesülnie a galaxis középpontja körül keringő csillagokra is. A legtávolabbi csillagoknak kellene a leglassabban mozogniuk, mivel a gravitáció szorítása gyengül.

Ehelyett Rubin azt találta, hogy a legtávolabbi csillagok ugyanolyan gyorsan mozognak, mint a közeli csillagok.

Valaminek meg kellett akadályoznia, hogy ezek a csillagok elrepüljenek. Zwicky végül is jó nyomon járt.

A csillagászok ma már úgy vélik, hogy a sötét anyag alapvető szerepet játszott az általunk ismert Univerzum létrejöttében.

A sötét anyag olyan, mint a szél: közvetlenül nem látjuk, de tudjuk, hogy ott van

Majdnem 14 milliárd évvel ezelőtt, pillanatokkal az ősrobbanás után az Univerzum gyorsan tágulni kezdett, és galaxishalmazok kezdtek kialakulni.

Az Univerzum azonban nem tágult olyan gyorsan, hogy ezek a galaxisok mind elrepültek volna a messzi távolba. Ez azért van, mert a sötét anyag mindent összefog, annak ellenére, hogy láthatatlan.

A sötét anyag bizonyos értelemben olyan, mint a szél: közvetlenül nem látjuk, de tudjuk, hogy ott van. Ráadásul rengeteg van belőle: az Univerzum kb. 25%-a.

Zavaróan néha azt mondják, hogy a sötét anyag az Univerzum összes anyagának kb. 80%-át teszi ki. Ez azért van, mert az Univerzumnak csak 30%-a áll anyagból, és ennek nagy része sötét anyag. A többi energia.

Az 1980-as évekre már megjelentek az első szilárd bizonyítékok a sötét anyagra vonatkozóan.

A sötét anyag az a váz, amelyen a közönséges anyag lóg.

1981-ben például a Harvard Egyetem Marc Davis vezette csapata elvégezte az egyik első galaktikus felmérést. Rájöttek, hogy a galaxisok nem egyenletes mintázatban helyezkednek el. “Nem úgy szóródnak szét, mint a cukormáz a tortán” – mondja Carlos Frenk, az angliai Durham Egyetem munkatársa.

Ehelyett a galaxisok nagy halmazokba tömörülnek, amelyek egyenként több százezer galaxist tartalmaznak. Ezek bonyolult mintákat alkotnak, amelyeket “kozmikus hálónak” neveznek. Ezt a hálót a sötét anyag köti össze.

Más szóval, a sötét anyag az a váz, amelyen a közönséges anyag lóg – mondja Carolin Crawford, az Egyesült Királyságbeli Cambridge-i Egyetem munkatársa. “Tudjuk, hogy a korai Univerzumban szükség volt rá. Létfontosságú, hogy összeálljon ez az anyag, amely aztán továbbhaladva kialakítja az általunk látott struktúrákat.”

Ezeknek a halmazoknak a felfedezése szenzációt keltett, mondja Frenk. Davis, az akkori főnöke kihívta őt, hogy találja ki, miért rendeződtek így a galaxisok.

Amikor Frenk elkezdte a keresést, felfedezte, hogy valaki azt állította, hogy megelőzte őt. 1980-ban egy orosz csapat VA Ljubimov vezetésével már felvázolta a sötét anyag lehetséges magyarázatát. Azt javasolták, hogy az neutrínókból áll.

Azt találtuk, hogy egy forró sötét anyaggal rendelkező Univerzum egyáltalán nem hasonlít a valódi Univerzumra

Ez bizonyos mértékig értelmet nyert. A neutrínók sötét, kísérteties részecskék, amelyek alig lépnek kölcsönhatásba bármi mással. A kutatók felvetették, hogy az Univerzumban lévő összes neutrínó együttes tömege magyarázhatja a hiányzó tömeget.

Egy probléma volt. A neutrínók “forró sötét anyag”, ami azt jelenti, hogy könnyűek, és ezért képesek gyorsan mozogni. Amikor Frenk szimulált egy forró sötét anyaggal teli kozmoszt, azt tapasztalta, hogy ez nem működhet.

“Nagy csalódásunkra azt találtuk, hogy a forró sötét anyaggal teli univerzum egyáltalán nem hasonlít a valódi univerzumra” – mondja Frenk. “Szép volt, de nem olyan, amelyben mi élünk. Ott volt ez a hatalmas galaxisszuperhalmaz, amiről tudtuk, hogy nem létezik.”

Ehelyett a sötét anyagnak hidegnek és lassú mozgásúnak kell lennie. A következő lépés az volt, hogy kiderítsük, hol van ez a hideg sötét anyag.

Noha közvetlenül nem láthatjuk, a sötét anyag egy dolgot azért tesz, hogy elárulja magát. Meghajlítja a rajta áthaladó fényt. Kicsit olyan, mint amikor a fény átsüt egy úszómedencén vagy egy matt fürdőszobai ablakon.”

Legalább nagyjából tudjuk, hogy hol van a sötét anyag

A hatást “gravitációs lencsézésnek” nevezik, és ez alapján ki lehet találni, hogy hol vannak a sötét anyag felhői. Ezzel a technikával a tudósok térképeket készítenek az Univerzum sötét anyagáról.

Most még csak egy töredékét térképezték fel. Az egyik ilyen projekt mögött álló csoportnak azonban ambiciózus céljai vannak: remélik, hogy feltérképezhetik Univerzumunk egynyolcadát, ami több millió galaxist jelent. Összehasonlításképpen: saját galaxisunk, a Tejútrendszer több milliárd csillagot és valószínűleg 100 milliárd bolygót tartalmaz.

Egyelőre ezek a térképek túl durvák ahhoz, hogy bármilyen részletet megmutassanak. Olyan ez, mintha azt mondanánk, hogy van egy alapvető elképzelésünk a Föld kontinenseiről, de ami igazán érdekel, az a hegyek és tavak alakja – mondja Gary Prezeau, a Nasa Jet Propulsion Laboratory of the California Institute of Technology munkatársa.

Mégis, legalább nagyjából tudjuk, hol van a sötét anyag. De még mindig nem tudjuk, hogy mi az.

Már több elképzelés is felmerült, de jelenleg a legnépszerűbb felvetés az, hogy a sötét anyag egy újfajta részecskéből áll, amelyet az elmélet megjósolt, de soha nem mutattak ki. Ezeket WIMP-nek nevezik: Weakly Interacting Massive Particles (gyengén kölcsönható tömeges részecskék).

A “WIMP” kifejezés csak egy gyűjtőfogalom, és számos különböző típusú részecskét foglalhat magában.

A WIMP-ek minden értelemben gyengék, mondja Anne Green, az angliai Nottinghami Egyetem munkatársa. Először is, alig lépnek kölcsönhatásba egymással, nemhogy a normál anyaggal. Ha nekimész egy falnak, a kezed ütközik vele, de amikor egy WIMP nekimegy a falnak vagy önmagának, általában egyenesen átmegy rajta.

A rövidítés második része önmagáért beszél. A WIMP-eknek nagy tömegük van, bár nem feltétlenül nagyok. Tömegük több százszor vagy ezerszer nagyobb lehet, mint egy protoné, mondja Green.

A helyzet az, hogy nem tudjuk.

A “WIMP” kifejezés csak egy szókapcsolat, és sokféle részecskét foglalhat magában, mondja Massey. Ami még rosszabb, mivel állítólag annyira kísértetiesek, rendkívül nehéz őket kimutatni.

Ez a ponton talán már frusztráltan felemeled a karodat. “Először úgy döntöttek, hogy van ez a sok láthatatlan anyag, most meg úgy döntöttek, hogy valami újfajta anyagból áll, amit nem tudnak kimutatni! Ez hülyeség.” Nos, nem te vagy az első, aki ezt mondja.

Már 1983-ban egyes fizikusok azzal érveltek, hogy a sötét anyag egyáltalán nem létezik. Ehelyett a gravitáció általunk ismert törvényei tévesek lehetnek, és ezért viselkednek a galaxisok olyan furcsán. Ezt az elképzelést MOND-nak nevezik, ami a “Módosított newtoni dinamika” rövidítése.

Aki új gravitációs elméletet akar kitalálni, annak Einsteinnél is jobbat kell tennie

“Úgy értelmezzük az Univerzum összes ilyen körhintáját, ahogyan körbe-körbe száguldoznak és a gravitáció húzza őket, feltételezve, hogy tudjuk, hogyan működik a gravitáció” – mondja Massey. “Lehet, hogy rosszul értjük a gravitációt, és félreértelmezzük a bizonyítékokat.”

A probléma Massey szerint az, hogy a MOND támogatói nem álltak elő a sötét anyaggal szemben életképes alternatívával: az elképzeléseik nem tudják megmagyarázni az adatokat. “Bárki, aki egy új gravitációs elméletet akar kitalálni, még Einsteinnél is jobbat kell tennie, és meg kell magyaráznia mindent, amit ő meg tudott magyarázni, és a sötét anyaggal is számot kell adnia.”

2006-ban a NASA egy látványos képet tett közzé, amely sok kutató számára végleg végzett a MOND-dal.

A képen két hatalmas galaxishalmaz ütközik. Mivel az anyag nagy része jól láthatóan a középpontban van, ott várnánk a legtöbb gravitációt.

Háromféleképpen lehet sötét anyagot találni

A külső régiókban azonban olyan fényt látunk, amelyet szintén elhajlít a gravitáció, ami arra utal, hogy ezeken a területeken az anyag egy másik formája is létezik. A képet a sötét anyag létezésének közvetlen bizonyítékaként üdvözölték.

Ha ez igaz, akkor megint ott vagyunk, ahol voltunk. A kihívás az, hogy megtaláljuk a sötét anyagot, amikor nem tudjuk, mit keresünk.

Ez rosszabbul hangzik, mint a régi tűt a szénakazalban probléma, de valójában három különböző módon lehet megtalálni.

Az első út az, hogy megfigyeljük a sötét anyagot működés közben a kozmoszban. Ha a csillagászok a meglévő sötétanyag-“térképek” segítségével megfigyelik, hogyan viselkedik, akkor talán képesek lesznek észlelni egy alkalmi összeomlást.

A Tejútrendszerünk galaxisának egy olyan területét találták meg, ahol mintha gammasugarak izzanának

A sötétanyag-részecskék általában áthaladnak a normál anyagon. De a puszta számuk azt jelenti, hogy nagyon ritkán néhányuk összeütközik egy atom magjával.

Amikor ez megtörténik, a sötét anyag “megrúgja” az atomot, amitől az visszapattan, mint egy biliárdgolyó. Ennek az ütközésnek gammasugarakat kell létrehoznia: rendkívül nagy energiájú fényt. Ezeken a ritka alkalmakkor “a sötét anyag képes ragyogni” – mondja Frenk.

“Vannak közvetlen észlelési kísérletek, amelyek ezeket az atomi visszapattanásokat keresik” – mondja Green.

2014-ben a NASA nagy teljesítményű Fermi-teleszkópjának adatait felhasználva a kutatók azt állították, hogy kimutatták az ilyen ütközésekből származó gammasugarakat. A Tejútrendszerünk galaxisának egy olyan területét találták meg, ahol a jelek szerint gammasugarak izzanak, valószínűleg a sötét anyagból.

A minták illeszkednek az elméleti modellekhez, de még nem dőlt el, hogy a gammasugarak valóban sötét anyagból származnak-e. Jöhetnek pulzároknak nevezett energikus csillagokból, vagy összeomló csillagokból is.

Amellett, hogy a sötét anyag ütközik a normál anyaggal, időnként saját magába is beleütközhet, és van rá mód, hogy ezt is lássuk.

Nem lehet megragadni egy galaxis méretű sötét anyagfelhőt, és mikroszkóp alá tenni

Massey csapata nemrég figyelte meg az egymásnak ütköző galaxisokat. Azt várták, hogy a galaxisokban lévő összes sötét anyag egyenesen áthalad, ehelyett azonban egy része lelassult, lemaradva a galaxis mögött, amelyhez tartozott.

Ez arra utal, hogy kölcsönhatásba lépett más sötét anyagokkal. “Ha igen, akkor ez az első bizonyíték arra, hogy egy icipicit is törődik a világ többi részével” – mondja Massey.

Mindkét módszernek van egy nagy hátránya: nem lehet megragadni egy galaxis méretű sötétanyag-felhőt, és mikroszkóp alá helyezni. Túl nagyok és túl messze vannak.

A sötét anyag kimutatásának második módja tehát az lenne, ha előbb létrehoznánk azt.

A fizikusok azt remélik, hogy pontosan ezt tehetik meg részecskeütköztetőkkel, például a genfi Nagy Hadronütköztetővel (LHC).

Az LHC a fénysebességhez közeli sebességgel zúzza össze a protonokat. Ezek az ütközések elég erősek ahhoz, hogy a protonokat alkotóelemeikre bontják. Az LHC ezután tanulmányozza ezeket a szubatomi törmelékeket.

Az ilyen erős ütközések során új részecskéket, például WIMP-eket fedezhetnek fel, mondja Malcolm Fairbairn, a londoni Kings College Londonból.

“Ha valóban WIMP-ek alkotják a sötét anyagot, és az LHC-ben felfedezzük őket, akkor jó esélyünk van arra, hogy kiderítsük, miből áll a sötét anyag az Univerzumban” – mondja.

Ha azonban a sötét anyag nem olyan, mint egy WIMP, akkor az LHC nem fogja kimutatni.

A tudósok várják azokat a ritka alkalmakat, amikor a WIMP-ek normál anyaggal ütköznek

Még egy másik nehézség is van. Ha az LHC valóban létrehozna némi sötét anyagot, azt valójában nem regisztrálnák a detektorai.

Ehelyett a rendszer egy csoport részecskét találhatna, amelyek az egyik irányba mozognak, de a másik irányba semmi – mondja Fairbairn. Ez csak akkor fordulhatna elő, ha valami más is mozogna, amit a detektorok nem tudnának érzékelni. “Ez akkor egy sötét anyag részecske lehet.”

Ha ez is kudarcot vall, a fizikusoknak van egy harmadik lehetőségük: mélyen a föld alá utazni.

A tudósok régi bányákban és hegyek belsejében várják azokat a ritka alkalmakat, amikor a WIMP-ek összeütköznek a normál anyaggal – ugyanilyen ütközéseket figyelhetett meg a Fermi-teleszkóp a mélyűrben.

Milliárdnyi sötét anyag részecske halad át rajtunk másodpercenként. “Ott vannak az irodádban, a szobádban, mindenhol” – mondja Frenk. “Másodpercenként milliárdnyi sebességgel haladnak át a testünkön, és semmit sem érzünk.”

Volt néhány téves riasztás az út során

Előéletileg képesnek kellene lennünk észrevenni az ütközésekből származó gammasugarak apró villanásait. A baj csak az, hogy sok más dolog is áthalad, többek között a kozmikus sugárzás formájában, és ez elnyomja a sötét anyag jelét.

Ezért a föld alatti kísérletek: a fenti sziklák a sugárzás nagy részét blokkolják, de a sötét anyagot átengedik.

A legtöbb fizikus egyetért abban, hogy eddig még nem láttunk meggyőző jeleket ezekből a detektorokból. Egy 2015 augusztusában megjelent tanulmány kifejti, hogy az olaszországi Gran Sasso Nemzeti Laboratóriumban található XENON100 detektor nem talált semmit.

Az út során volt néhány téves riasztás is. Egy másik csapat ugyanebből a laboratóriumból, egy másik detektort használva, évekig azt állította, hogy a DAMA kísérletükkel sötét anyagot észleltek. Úgy tűnik, valóban találtak valamit, de a legtöbb fizikus szerint ez nem egy WIMP.

Az egyik ilyen detektor, vagy az LHC még találhat sötét anyagot. De az, hogy egy helyen megtaláljuk, nem lesz elég.”

Ez egy alázatos emlékeztető arra, hogy milyen messzire kell még mennünk ahhoz, hogy igazán megértsük az Univerzumunkat.”

“Végső soron egynél több módon kell majd felfedeznünk a sötét anyagot, hogy biztosak lehessünk abban, hogy amit a laboratóriumban megfigyelünk, az ugyanaz az anyag, ami a galaxisokban repked” – mondja Fairbairn.

Egyelőre az Univerzumunk nagy része sötét marad, és nem világos, hogy ez meddig marad így.

Egyes kozmológusok, köztük Frenk, bíznak abban, hogy a következő évtizedben választ kapunk. Mások, mint például Green, kevésbé bizakodóak. Ha az LHC nem talál valamit hamarosan, mondja, akkor valószínűleg rossz dolgot keresünk.

Már több mint 80 éve, hogy Zwicky először felvetette a sötét anyag létezését. Ennyi idő alatt még mindig nem tudtunk mintát szerezni belőle, és nem tudtuk meghatározni, hogy mi is az.

Ez alázatos emlékeztető arra, hogy milyen messzire kell még eljutnunk ahhoz, hogy igazán megértsük az Univerzumunkat. Mindenféle dolgot megérthetünk, az Univerzum kezdetétől kezdve a földi élet evolúciójáig. De az Univerzumunk nagy része még mindig egy fekete doboz, amelynek titkai arra várnak, hogy megfejtsük őket.

Melissa Hogenboom a BBC Earth szakírója, a twitteren @melissasuzanneh.

Kövesse a BBC Earth-t a Facebookon, a Twitteren és az Instagramon.