Als een buitenaards wezen ons heelal vanuit een parallelle werkelijkheid zou bezoeken, is de kans groot dat ze niet eens merken dat wij bestaan.

In zekere zin is dat duidelijk: het heelal is enorm en onze planeet is maar een klein, bleek blauw stipje. Maar het is nog erger dan dat: de aliens zullen misschien niet eens alle sterren en de planeten die eromheen draaien opmerken. Ze zouden zelfs de enorme stofwolken kunnen missen die door de ruimte zweven.

Al deze bekende dingen vormen slechts een fractie van de materie in ons heelal. De rest is iets anders, een materie die niemand op aarde ooit heeft gezien.

Bij gebrek aan een betere naam, noemen natuurkundigen dit spul “donkere materie”. Als het er niet was, zouden sterrenstelsels uit elkaar vliegen. Niemand weet wat het is, maar natuurkundigen zijn het op het spoor.

Alles wat je om je heen ziet, van je eigen lichaam tot de planeet waar je op staat en de sterren aan de hemel, is gemaakt van atomen. Deze zijn op hun beurt weer opgebouwd uit kleinere deeltjes zoals protonen en neutronen, waarvan vele nog verder kunnen worden opgesplitst.

Toen natuurkundigen in het begin van de 20e eeuw de samenstelling van atomen begonnen te begrijpen, leek het erop dat we op het punt stonden de basis van alle materie in het heelal te begrijpen.

Maar in 1933 begon een Zwitserse astronoom, Fritz Zwicky, te betogen dat het grootste deel van het heelal uit iets heel anders moest bestaan.

Zwicky telde alle materie op die hij kon waarnemen in groepen van sterrenstelsels. Hij ontdekte dat er niet genoeg materie was om de zwaartekracht te verklaren die hen bij elkaar houdt.

Dit was een gekke theoreticus die zijn krachten niet bij elkaar kon krijgen.

De sterrenstelsels die Zwicky observeerde draaiden ook zo snel dat ze zichzelf hadden moeten wegslingeren en zich in alle hoeken van het heelal hadden moeten verspreiden, zegt Richard Massey van de Durham University in het Verenigd Koninkrijk. Elk sterrenstelsel was als een draaimolen die te snel ronddraait: elke renner zou eraf worden geslingerd.

Zwicky realiseerde zich dat er iets anders moest zijn, dat hij niet rechtstreeks kon waarnemen, maar dat een voldoende sterke zwaartekracht had om alles bij elkaar te houden. Hij zei dat deze onbekende vorm van materie “donker” was.

Op dat moment werd hij beschouwd als een excentriekeling en werden zijn theorieën niet serieus genomen. “Dit was een gekke theoreticus die zijn krachten niet bij elkaar kon krijgen, en dus een hele nieuwe vorm van materie uitvond,” zegt Massey.

Zwicky’s werk werd grotendeels vergeten tot de jaren zeventig, toen astronoom Vera Rubin ontdekte dat nabije sterrenstelsels niet op de juiste manier ronddraaiden.

Er moet iets zijn geweest dat deze sterren ervan weerhield om weg te vliegen

In ons zonnestelsel geldt een eenvoudige regel. Hoe verder een planeet van de zon staat, hoe zwakker de zwaartekracht is. Als gevolg daarvan zal deze planeet langzamer bewegen en er langer over doen om een baan te voltooien.

Dezelfde logica zou moeten gelden voor sterren die in een baan om het centrum van een melkwegstelsel draaien. De sterren die het verst weg staan, zouden het langzaamst moeten bewegen omdat de grip van de zwaartekracht zwakker wordt.

In plaats daarvan ontdekte Rubin dat de sterren die het verst weg staan, net zo snel bewegen als sterren die dichtbij staan.

Er moet iets zijn geweest dat deze sterren ervan weerhield om weg te vliegen. Zwicky zat dus toch op het goede spoor.

Astronomen geloven nu dat donkere materie een fundamentele rol heeft gespeeld bij het ontstaan van het heelal zoals wij dat kennen.

Donkere materie is als de wind: we kunnen het niet direct zien, maar we weten dat het er is

Al bijna 14 miljard jaar geleden, enkele momenten na de oerknal, begon het heelal snel uit te dijen en ontstonden er clusters van sterrenstelsels.

Het heelal dijde echter niet zo snel uit dat al deze sterrenstelsels wegvlogen naar verre uithoeken. Dat komt omdat donkere materie alles bij elkaar houdt, ondanks dat het onzichtbaar is.

In zekere zin is donkere materie als de wind: we kunnen het niet direct zien, maar we weten dat het er is. Bovendien is er veel van: zo’n 25% van het heelal.

Verwarrend genoeg wordt wel eens gezegd dat donkere materie zo’n 80% uitmaakt van alle materie in het heelal. Dat komt omdat slechts 30% van het heelal uit materie bestaat, en het grootste deel daarvan is donkere materie. De rest is energie.

Tegen de jaren tachtig kwamen de eerste solide bewijzen voor donkere materie.

Donkere materie is het geraamte waaraan de gewone materie hangt.

In 1981 bijvoorbeeld voerde een team onder leiding van Marc Davis van de Harvard-universiteit een van de eerste galactische overzichten uit. Zij realiseerden zich dat sterrenstelsels niet in een uniform patroon waren gerangschikt. Ze zijn “niet zomaar rondgestrooid als kers op een taart”, zegt Carlos Frenk van de Universiteit van Durham in het VK.

In plaats daarvan komen melkwegstelsels samen in grote clusters, die elk honderdduizenden melkwegstelsels bevatten. Deze vormen ingewikkelde patronen die bekend staan als het “kosmische web”. Dit web is aan elkaar gebonden met donkere materie.

Met andere woorden, donkere materie is het skelet waar gewone materie aan hangt, zegt Carolin Crawford van de Universiteit van Cambridge in het Verenigd Koninkrijk. “We weten dat die er in het vroege heelal moest zijn. Het is van cruciaal belang dat die materie geclusterd wordt en vervolgens de structuren ontwikkelt die we zien.”

De ontdekking van deze clusters veroorzaakte een sensatie, zegt Frenk. Davis, zijn toenmalige baas, daagde hem uit uit te zoeken waarom sterrenstelsels op deze manier gerangschikt waren.

Toen Frenk met zijn zoektocht begon, ontdekte hij dat iemand beweerde hem voor te zijn geweest. In 1980 had een Russisch team onder leiding van VA Lyubimov een mogelijke verklaring voor donkere materie opgesteld. Zij stelden voor dat deze bestond uit neutrino’s.

We ontdekten dat een heelal met hete donkere materie in niets leek op een echt heelal

Het klonk wel enigszins logisch. Neutrino’s zijn donkere, spookachtige deeltjes die nauwelijks met iets anders interageren. De onderzoekers suggereerden dat de gecombineerde massa van alle neutrino’s in het heelal de ontbrekende massa zou kunnen verklaren.

Er was één probleem. Neutrino’s zijn “hete donkere materie”, wat betekent dat ze licht zijn en dus snel kunnen bewegen. Toen Frenk een kosmos vol hete donkere materie simuleerde, ontdekte hij dat dit niet kon werken.

“Tot onze grote teleurstelling ontdekten we dat een heelal met hete donkere materie in niets leek op een echt heelal,” zegt Frenk. “Het was mooi, maar niet het heelal waarin wij leven. Er was een enorme supercluster van sterrenstelsels, waarvan we wisten dat die niet bestond.”

In plaats daarvan moet donkere materie koud en langzaam bewegend zijn. De volgende stap was uit te vinden waar deze koude donkere materie zich bevindt.

Hoewel we het niet direct kunnen zien, doet donkere materie één ding om zichzelf weg te geven. Het buigt het licht dat er doorheen gaat. Het is een beetje zoals licht dat door een zwembad of een mat badkamerraam schijnt.

We hebben nu in ieder geval een idee waar de donkere materie zich bevindt.

Het effect wordt “gravitatielens” genoemd en kan worden gebruikt om uit te vinden waar de wolken van donkere materie zich bevinden. Met behulp van deze techniek brengen wetenschappers de donkere materie in het heelal in kaart.

Tot nu toe hebben ze slechts een fractie in kaart gebracht. Maar het team achter een dergelijk project heeft ambitieuze doelstellingen: het hoopt een achtste van ons heelal in kaart te brengen, wat neerkomt op miljoenen sterrenstelsels. Om dat in de juiste context te plaatsen: ons eigen melkwegstelsel, de Melkweg, bevat miljarden sterren en mogelijk wel 100 miljard planeten.

Vooralsnog zijn deze kaarten te grof om enig detail te laten zien. Het is alsof je een basisidee hebt van de continenten op aarde, maar waar je echt in geïnteresseerd bent, is de vorm van de bergen en meren, zegt Gary Prezeau van Nasa’s Jet Propulsion Laboratory aan het California Institute of Technology.

Toch hebben we in ieder geval een ruw idee van waar de donkere materie zich bevindt. Maar we weten nog steeds niet wat het is.

Er zijn verschillende ideeën geopperd, maar op dit moment is de populairste suggestie dat donkere materie is gemaakt van een nieuw soort deeltje, voorspeld door de theorie, maar nooit ontdekt. Ze worden WIMP’s genoemd: Weakly Interacting Massive Particles.

De term “WIMP” is slechts een containerbegrip, en zou veel verschillende soorten deeltjes kunnen omvatten

WIMP’s zijn zwak in elke betekenis van de wereld, zegt Anne Green van de universiteit van Nottingham in het Verenigd Koninkrijk. Ten eerste hebben ze nauwelijks interactie met elkaar, laat staan met normale materie. Als je een muur raakt, botst je hand er tegenaan, maar als een WIMP een muur of zichzelf raakt, gaat hij er meestal dwars doorheen.

Het tweede deel van het acroniem spreekt voor zich. WIMP’s hebben veel massa, hoewel ze niet noodzakelijk groot zijn. Ze zouden honderden of duizenden keren meer kunnen wegen dan een proton, zegt Green.

Het ding is, we weten het niet.

De term “WIMP” is slechts een containerbegrip, en zou veel verschillende soorten deeltjes kunnen omvatten, zegt Massey. Erger nog, omdat ze zo spookachtig zouden zijn, zijn ze uiterst moeilijk te detecteren.

Op dit punt gooi je misschien gefrustreerd je armen in de lucht. “Eerst hebben ze besloten dat er allemaal onzichtbare materie is, nu hebben ze besloten dat het gemaakt is van een nieuw soort spul dat ze niet kunnen detecteren! Dit is onnozel.” Nou, je bent niet de eerste die dat zegt.

Zo ver terug als 1983, hebben sommige natuurkundigen betoogd dat donkere materie helemaal niet bestaat. In plaats daarvan moeten de zwaartekrachtswetten zoals wij die kennen wel fout zijn, en daarom gedragen sterrenstelsels zich zo vreemd. Dit idee wordt MOND genoemd, een afkorting van Modified Newtonian Dynamics.

Wie een nieuwe theorie over de zwaartekracht wil uitvinden, moet het beter doen dan Einstein

“We interpreteren al deze draaimolens van het heelal, hoe ze rondtollen en door de zwaartekracht worden voortgetrokken, ervan uitgaande dat we weten hoe de zwaartekracht werkt,” zegt Massey. “Misschien hebben we de zwaartekracht verkeerd begrepen en interpreteren we het bewijs verkeerd.”

Het probleem, zegt Massey, is dat de MOND-aanhangers niet met een levensvatbaar alternatief voor donkere materie zijn gekomen: hun ideeën kunnen de gegevens niet verklaren. “Wie een nieuwe theorie van de zwaartekracht wil uitvinden, moet een stap verder gaan dan Einstein en alles verklaren wat hij kon verklaren, en ook de donkere materie verklaren.”

In 2006 kwam NASA met een spectaculaire afbeelding die voor veel onderzoekers de MOND voorgoed de das omdeed.

De afbeelding toont twee enorme clusters van sterrenstelsels die met elkaar in botsing komen. Aangezien de meeste materie duidelijk zichtbaar is in het centrum, zou je verwachten dat daar de meeste zwaartekracht aanwezig is.

Er zijn drie verschillende manieren om donkere materie te vinden

Maar de buitenste regio’s vertonen licht dat ook wordt afgebogen door de zwaartekracht, wat impliceert dat er zich in die gebieden een andere vorm van materie bevindt. Het beeld werd bejubeld als een direct bewijs van het bestaan van donkere materie.

Als dat klopt, zijn we weer terug waar we waren. De uitdaging is om donkere materie te vinden als we niet weten waarnaar we zoeken.

Het klinkt misschien erger dan het oude naald-in-een-hooiberg-probleem, maar in feite zijn er drie verschillende manieren om het te vinden.

De eerste manier is om donkere materie in actie in de kosmos waar te nemen. Door te kijken hoe deze zich gedraagt met behulp van de bestaande donkere materie “kaarten”, kunnen astronomen misschien een incidentele crash detecteren.

Ze vonden een gebied van ons Melkwegstelsel dat lijkt te gloeien met gammastralen

Donkere materie deeltjes gaan gewoonlijk door normale materie heen. Maar door hun enorme aantal botsen ze heel af en toe tegen de kern van een atoom.

Als dit gebeurt, “schopt” de donkere materie tegen het atoom, waardoor het terugslaat als een biljartbal. Deze botsing zou gammastralen moeten voortbrengen: licht met extreem hoge energie. Bij deze zeldzame gelegenheden kan “donkere materie schitteren,” zegt Frenk.

“Er zijn directe detectie-experimenten die op zoek zijn naar deze nucleaire terugslagen,” zegt Green.

In 2014 beweerden onderzoekers, met behulp van gegevens van NASA’s krachtige Fermi-telescoop, de gammastralen van deze botsingen te hebben gedetecteerd. Ze vonden een gebied van ons Melkwegstelsel dat lijkt te gloeien met gammastralen, mogelijk afkomstig van donkere materie.

De patronen passen in theoretische modellen, maar het is nog maar de vraag of de gammastralen echt van donkere materie afkomstig zijn. Ze zouden ook afkomstig kunnen zijn van energetische sterren, pulsars genaamd, of van ineenstortende sterren.

Naast botsingen met normale materie kan donkere materie ook af en toe tegen zichzelf botsen, en er is een manier om ook dat te zien.

Je kunt een wolk donkere materie ter grootte van een sterrenstelsel niet onder een microscoop leggen.

Massey’s team heeft onlangs gevolgd hoe sterrenstelsels tegen elkaar botsen. Ze verwachtten dat alle donkere materie in de sterrenstelsels er dwars doorheen zou gaan, maar in plaats daarvan vertraagde een deel ervan en bleef het achter bij het sterrenstelsel waar het bij hoorde.

Dit wijst erop dat het een wisselwerking heeft gehad met andere donkere materie. “

Als dat zo is, dan is dat het eerste bewijs dat het zich ook maar een klein beetje bekommert om de rest van de wereld,” zegt Massey.

Beide methoden hebben een groot nadeel: je kunt geen wolk van donkere materie ter grootte van een sterrenstelsel pakken en onder een microscoop leggen. Ze zijn te groot en te ver weg.

Dus een tweede manier om donkere materie te detecteren zou zijn om het eerst te creëren.

Fysici hopen precies dat te doen met behulp van deeltjesbotsers, zoals de Large Hadron Collider (LHC) in Genève, Zwitserland.

De LHC smijt protonen tegen elkaar met snelheden die dicht bij die van het licht liggen. Deze botsingen zijn krachtig genoeg om de protonen in hun samenstellende delen uiteen te doen vallen. De LHC bestudeert vervolgens deze subatomaire brokstukken.

Tijdens deze krachtige botsingen zouden wel eens nieuwe deeltjes zoals WIMPs ontdekt kunnen worden, zegt Malcolm Fairbairn van het Kings College London in het Verenigd Koninkrijk.

“Als WIMPs inderdaad deel uitmaken van de donkere materie en we ontdekken ze bij de LHC, dan maken we een goede kans om uit te vinden waar de donkere materie in het heelal uit bestaat,” zegt hij.

Als donkere materie echter niet lijkt op een WIMP, zal de LHC het niet detecteren.

Wetenschappers wachten op de zeldzame keren dat WIMPs botsen met normale materie

Er is nog een moeilijkheid. Als de LHC inderdaad donkere materie creëert, zou dit niet worden geregistreerd door de detectoren

In plaats daarvan zou het systeem een groep deeltjes kunnen vinden die in de ene richting bewegen, maar niets in de andere richting, aldus Fairbairn. Dat kan alleen gebeuren als er iets anders beweegt dat de detectoren niet kunnen waarnemen. “Dat zou dan een deeltje van donkere materie kunnen zijn.”

Als ook dit mislukt, hebben de natuurkundigen nog een derde optie om op terug te vallen: diep onder de grond reizen.

In oude mijnen en in bergen wachten wetenschappers op de zeldzame keren dat WIMP’s botsen met normale materie – hetzelfde soort botsingen die de Fermi-telescoop mogelijk in de diepe ruimte heeft waargenomen.

Miljoenen deeltjes donkere materie passeren ons elke seconde. “Ze zijn in je kantoor, in je kamer, overal,” zegt Frenk. “Ze passeren je lichaam met een snelheid van miljarden per seconde en je voelt er niets van.”

Er zijn onderweg enkele valse alarmen geweest

In theorie zouden we de kleine flitsen van gammastralen van deze botsingen moeten kunnen waarnemen. Het probleem is dat er ook veel andere dingen passeren, waaronder straling in de vorm van kosmische straling, en dit overstemt het signaal van de donkere materie.

Hence the underground experiments: de rotsen erboven blokkeren de meeste straling, maar laten donkere materie door.

Tot nu toe zijn de meeste natuurkundigen het erover eens dat we nog geen overtuigende signalen van deze detectoren hebben gezien. Een paper gepubliceerd in augustus 2015 legt uit dat de XENON100-detector in het Italiaanse Gran Sasso National Laboratory niets heeft kunnen vinden.

Er zijn onderweg wel wat valse alarmen geweest. Een ander team van hetzelfde laboratorium, dat een andere detector gebruikt, heeft jarenlang beweerd dat hun DAMA-experiment donkere materie had ontdekt. Zij schijnen inderdaad iets gevonden te hebben, maar de meeste natuurkundigen zeggen dat het geen WIMP is.

Eén van deze detectoren, of de LHC, kan nog donkere materie vinden. Maar het zal niet genoeg zijn om het op één plek te vinden.

Het is een vernederende herinnering aan hoe ver we nog moeten gaan voordat we ons heelal echt begrijpen

“Uiteindelijk zullen we donkere materie op meer dan één manier moeten ontdekken om er zeker van te zijn dat het ding dat we in het laboratorium waarnemen, hetzelfde spul is dat in sterrenstelsels rondvliegt,” zegt Fairbairn.

Voorlopig blijft het grootste deel van ons heelal donker, en het is niet duidelijk hoe lang dat zo zal blijven.

Sommige kosmologen, waaronder Frenk, zijn hoopvol dat we in het komende decennium antwoorden zullen krijgen. Anderen, zoals Green, zijn daar minder zeker van. Als de LHC niet snel iets vindt, zegt ze, zoeken we waarschijnlijk naar het verkeerde.

Het is meer dan 80 jaar geleden dat Zwicky voor het eerst het bestaan van donkere materie opperde. In al die tijd zijn we er nog niet in geslaagd een monster te bemachtigen, of vast te stellen wat het is.

Het is een vernederende herinnering aan hoe ver we nog moeten gaan voordat we ons heelal echt begrijpen. We kunnen van alles begrijpen, van het begin van het heelal tot de evolutie van het leven op aarde. Maar het grootste deel van ons heelal is nog steeds een zwarte doos, waarvan de geheimen wachten om ontsloten te worden.

Melissa Hogenboom is BBC Earth’s feature writer, ze is @melissasuzanneh op twitter.

Volg BBC Earth op Facebook, Twitter en Instagram.