Gdyby obcym udało się odwiedzić nasz Wszechświat z równoległej rzeczywistości, istnieje duże prawdopodobieństwo, że nawet nie zauważyliby, że istniejemy.

W pewnym sensie to oczywiste: Wszechświat jest ogromny, a nasza planeta jest tylko małą, bladoniebieską kropką. Ale jest jeszcze gorzej: kosmici mogą nawet nie zauważyć wszystkich gwiazd i planet, które krążą wokół nich. Mogliby nawet przeoczyć ogromne obłoki pyłu, które unoszą się w przestrzeni.

Wszystkie te znane rzeczy stanowią jedynie ułamek materii w naszym Wszechświecie. Reszta to coś innego, materia, której nikt na Ziemi nigdy nie widział.

Z braku lepszej nazwy fizycy nazywają tę materię „ciemną materią”. Gdyby jej tam nie było, galaktyki rozpadłyby się na kawałki. Nikt nie wie, czym ona jest, ale fizycy są na jej tropie.

Wszystko, co widzisz wokół siebie, od własnego ciała po planetę, na której stoisz, i gwiazdy na niebie, jest zbudowane z atomów. Te z kolei składają się z mniejszych cząstek, takich jak protony i neutrony, z których wiele można rozłożyć jeszcze bardziej.

Gdy fizycy zaczęli rozumieć budowę atomów na początku XX wieku, wydawało się, że wkrótce zrozumiemy podstawę całej materii we Wszechświecie.

Ale w 1933 roku szwajcarski astronom Fritz Zwicky zaczął twierdzić, że większość Wszechświata musi być zrobiona z czegoś zupełnie innego.

Zwicky policzył całą materię, którą mógł zaobserwować w grupach galaktyk. Stwierdził, że nie ma tam wystarczającej ilości materii, która odpowiadałaby sile grawitacji trzymającej je razem.

To był szalony teoretyk, który nie potrafił sprawić, by jego siły się zsumowały

Galaktyki, które zaobserwował Zwicky, również wirowały tak szybko, że powinny były odlecieć i rozproszyć się we wszystkich zakątkach Wszechświata, mówi Richard Massey z Uniwersytetu Durham w Wielkiej Brytanii. Każda galaktyka była jak karuzela, która kręci się zbyt szybko: każdy jeździec zostałby zrzucony.

Zwicky zdał sobie sprawę, że musi tam być coś jeszcze, czego nie mógł bezpośrednio zaobserwować, ale co miało wystarczająco silne przyciąganie grawitacyjne, aby utrzymać wszystko razem. Powiedział, że ta nieznana forma materii była „ciemna”.

W tamtym czasie był uważany za ekscentryka, a jego teorie nie były traktowane poważnie. „To był szalony teoretyk, który nie mógł sprawić, by jego siły się sumowały, więc wymyślił zupełnie nową formę materii” – mówi Massey.

Praca Zwicky’ego została w dużej mierze zapomniana aż do lat 70. XX wieku, kiedy astronom Vera Rubin odkryła, że pobliskie galaktyki nie obracają się we właściwy sposób.

Coś musiało tam być, by powstrzymać te gwiazdy przed odlotem

W naszym Układzie Słonecznym obowiązuje prosta zasada. Im dalej planeta znajduje się od Słońca, tym słabsze jest oddziaływanie grawitacji. W rezultacie planeta będzie poruszać się wolniej i zajmie jej to więcej czasu, aby zakończyć orbitę.

Ta sama logika powinna mieć zastosowanie do gwiazd krążących wokół centrum galaktyki. Gwiazdy znajdujące się najdalej powinny poruszać się najwolniej, ponieważ siła grawitacji słabnie.

Niemniej jednak Rubin odkrył, że gwiazdy znajdujące się najdalej poruszają się równie szybko jak gwiazdy znajdujące się w pobliżu.

Coś musiało tam być, aby powstrzymać te gwiazdy przed odlotem. Zwicky był jednak na właściwym tropie.

Astronomowie wierzą teraz, że ciemna materia miała fundamentalne znaczenie w tworzeniu Wszechświata, jaki znamy.

Ciemna materia jest jak wiatr: nie możemy jej bezpośrednio zobaczyć, ale wiemy, że tam jest

Prawie 14 miliardów lat temu, chwilę po Wielkim Wybuchu, Wszechświat zaczął się gwałtownie rozszerzać i zaczęły się tworzyć gromady galaktyk.

Wszechświat nie rozszerzał się jednak tak szybko, że wszystkie te galaktyki odleciały w odległe zakątki. To dlatego, że ciemna materia zakotwicza wszystko razem, mimo że jest niewidoczna.

W pewnym sensie ciemna materia jest jak wiatr: nie możemy jej bezpośrednio zobaczyć, ale wiemy, że tam jest. Co więcej, jest jej bardzo dużo: około 25% Wszechświata.

Konfliktowo, czasami mówi się, że ciemna materia stanowi około 80% całej materii we Wszechświecie. Jest tak dlatego, że tylko 30% Wszechświata składa się z materii, a większość z niej to ciemna materia. Reszta to energia.

Do lat 80. XX wieku pojawiły się pierwsze solidne dowody na istnienie ciemnej materii.

Ciemna materia jest szkieletem, na którym wisi zwykła materia

Na przykład w 1981 roku zespół kierowany przez Marca Davisa z Uniwersytetu Harvarda przeprowadził jeden z pierwszych przeglądów galaktyk. Zdali sobie sprawę, że galaktyki nie są ułożone w jednolite wzory. Nie są one „po prostu posypane jak lukier na torcie”, mówi Carlos Frenk z Uniwersytetu Durham w Wielkiej Brytanii.

Zamiast tego galaktyki gromadzą się w duże gromady, z których każda zawiera setki tysięcy galaktyk. Tworzą one skomplikowane wzory znane jako „kosmiczna sieć”. Ta sieć jest związana razem z ciemną materią.

Innymi słowy, ciemna materia jest szkieletem, na którym wisi zwykła materia, mówi Carolin Crawford z Uniwersytetu Cambridge w Wielkiej Brytanii. „Wiemy, że musiała ona być obecna we wczesnym Wszechświecie. Kluczowe jest, aby te rzeczy skupiły się razem, co następnie doprowadzi do powstania struktur, które widzimy.”

Odkrycie tych skupisk wywołało sensację, mówi Frenk. Davis, jego ówczesny szef, rzucił mu wyzwanie, by dowiedział się, dlaczego galaktyki są ułożone w ten sposób.

Kiedy Frenk rozpoczął poszukiwania, odkrył, że ktoś twierdził, że go w tym pobił. W 1980 roku rosyjski zespół kierowany przez VA Lyubimova przedstawił możliwe wyjaśnienie ciemnej materii. Zaproponowali, by była ona zbudowana z neutrin.

Stwierdziliśmy, że Wszechświat z gorącą ciemną materią nie wyglądał jak prawdziwy Wszechświat

Miało to pewien sens. Neutrina są ciemnymi, upiornymi cząstkami, które prawie nie oddziałują z niczym innym. Naukowcy zasugerowali, że połączona masa wszystkich neutrin we Wszechświecie może odpowiadać za brakującą masę.

Był jednak jeden problem. Neutrina są „gorącą ciemną materią”, co oznacza, że są lekkie i dlatego mogą się szybko poruszać. Kiedy Frenk symulował kosmos pełen gorącej ciemnej materii, odkrył, że to nie może działać.

„Ku naszemu wielkiemu rozczarowaniu odkryliśmy, że Wszechświat z gorącą ciemną materią nie wyglądał jak prawdziwy Wszechświat,” mówi Frenk. „Był ładny, ale nie taki, w którym żyjemy. Była tam ta ogromna supergromada galaktyk, o której wiedzieliśmy, że nie istnieje.”

Zamiast tego ciemna materia musi być zimna i wolno poruszająca się. Następnym krokiem było ustalenie, gdzie znajduje się ta zimna ciemna materia.

Choć nie możemy jej bezpośrednio zobaczyć, ciemna materia robi jedną rzecz, aby dać o sobie znać. Zakrzywia światło, które przez nią przechodzi. Przypomina to trochę sytuację, gdy światło świeci przez basen lub oszronione okno w łazience.

Mamy przynajmniej przybliżone pojęcie o tym, gdzie znajduje się ciemna materia.

Efekt ten nazywa się „soczewkowaniem grawitacyjnym” i można go wykorzystać do określenia, gdzie znajdują się chmury ciemnej materii. Używając tej techniki, naukowcy tworzą mapy ciemnej materii Wszechświata.

Na razie zmapowali tylko ułamek. Ale zespół stojący za jednym z takich projektów ma ambitne cele, mając nadzieję na zmapowanie jednej ósmej naszego Wszechświata, co odpowiada milionom galaktyk. Aby umieścić to w kontekście, nasza własna galaktyka, Droga Mleczna, zawiera miliardy gwiazd i być może aż 100 miliardów planet.

Na razie te mapy są zbyt surowe, aby pokazać jakiekolwiek szczegóły. To tak, jakbyś powiedział, że masz podstawowe pojęcie o kontynentach na Ziemi, ale tak naprawdę interesują cię kształty gór i jezior, mówi Gary Prezeau z Laboratorium Napędu Odrzutowego Nasa w Kalifornijskim Instytucie Technologii.

Mimo to mamy przynajmniej przybliżone pojęcie o tym, gdzie znajduje się ciemna materia. Ale nadal nie wiemy, czym ona jest.

Przedstawiono kilka pomysłów, ale obecnie najpopularniejszą sugestią jest to, że ciemna materia jest zbudowana z nowego rodzaju cząstek, przewidywanych przez teorię, ale nigdy nie wykrytych. Nazywa się je WIMPs: Weakly Interacting Massive Particles.

Termin „WIMP” jest tylko hasłem i może obejmować wiele różnych typów cząstek

WIMPs są słabe w każdym sensie tego świata, mówi Anne Green z University of Nottingham w Wielkiej Brytanii. Po pierwsze, prawie nie oddziałują ze sobą, nie mówiąc już o normalnej materii. Kiedy uderzasz w ścianę, twoja ręka zderza się z nią, ale kiedy WIMP uderza w ścianę lub w siebie, zazwyczaj przechodzi prosto przez nią.

Druga część akronimu mówi sama za siebie. WIMPy mają dużą masę, choć niekoniecznie są duże. Mogą ważyć setki lub tysiące razy więcej niż proton, mówi Green.

Sęk w tym, że nie wiemy.

Termin „WIMP” jest tylko hasłem i może obejmować wiele różnych typów cząstek, mówi Massey. Co gorsza, ponieważ są one rzekomo tak upiorne, są niezwykle trudne do wykrycia.

W tym momencie możesz wyrzucać ręce do góry w frustracji. „Najpierw uznali, że istnieje cała ta niewidzialna materia, teraz uznali, że jest ona zrobiona z jakiegoś nowego rodzaju rzeczy, których nie mogą wykryć! To jest głupie.” Cóż, nie jesteś pierwszą osobą, która to mówi.

Już w 1983 roku niektórzy fizycy twierdzili, że ciemna materia w ogóle nie istnieje. Zamiast tego, prawa grawitacji, jakie znamy, muszą być błędne i to dlatego galaktyki zachowują się tak dziwnie. Idea ta nosi nazwę MOND, skrót od „Modified Newtonian Dynamics”.

Każdy, kto chce wymyślić nową teorię grawitacji, musi się postarać bardziej niż Einstein

„Interpretujemy wszystkie te karuzele Wszechświata, jak kręcą się wokół i są ciągnięte przez grawitację, zakładając, że wiemy, jak działa grawitacja” – mówi Massey. „Może źle zrozumieliśmy grawitację i źle interpretujemy dowody.”

Problem, mówi Massey, polega na tym, że zwolennicy MOND nie wymyślili realnej alternatywy dla ciemnej materii: ich pomysły nie są w stanie wyjaśnić danych. „Każdy, kto chce wymyślić nową teorię grawitacji, musi pójść o krok dalej niż Einstein i wyjaśnić wszystko to, co on był w stanie wyjaśnić, a także uwzględnić ciemną materię.”

W 2006 roku NASA opublikowała spektakularny obraz, który dla wielu badaczy na dobre uśmiercił MOND.

Obraz przedstawia dwie ogromne gromady galaktyk zderzające się ze sobą. Ponieważ większość materii jest wyraźnie widoczna w centrum, to właśnie tam można by oczekiwać istnienia większości grawitacji.

Istnieją trzy różne sposoby na znalezienie ciemnej materii

Ale zewnętrzne regiony pokazują światło, które jest również zginane przez grawitację, co sugeruje, że istnieje inna forma materii w tych obszarach. Obraz ten został okrzyknięty bezpośrednim dowodem na istnienie ciemnej materii.

Jeśli to prawda, jesteśmy z powrotem tam, gdzie byliśmy. Wyzwaniem jest znalezienie ciemnej materii, gdy nie wiemy, czego szukamy.

Może to brzmieć gorzej niż stary problem z igłą w stogu siana, ale w rzeczywistości istnieją trzy różne sposoby na jej znalezienie.

Pierwszym sposobem jest obserwowanie ciemnej materii w działaniu w kosmosie. Monitorując jej zachowanie za pomocą istniejących „map” ciemnej materii, astronomowie mogą być w stanie wykryć sporadyczne zderzenia.

Znaleźli oni obszar naszej galaktyki Drogi Mlecznej, który wydaje się świecić promieniami gamma.

Cząstki ciemnej materii zwykle przechodzą przez normalną materię. Ale sama ich liczba oznacza, że bardzo sporadycznie niektóre z nich zderzają się z jądrem atomu.

Gdy to się dzieje, ciemna materia „kopie” atom, sprawiając, że odbija się on jak kula bilardowa. Zderzenie to powinno wytworzyć promienie gamma: światło o bardzo wysokiej energii. W tych rzadkich przypadkach „ciemna materia może błyszczeć”, mówi Frenk.

„Istnieją eksperymenty bezpośredniego wykrywania, które szukają tych odrzutów jądrowych”, mówi Green.

W 2014 roku, wykorzystując dane z potężnego teleskopu Fermi należącego do NASA, naukowcy twierdzili, że wykryli promienie gamma z tych zderzeń. Znaleźli oni obszar naszej galaktyki Drogi Mlecznej, który wydaje się świecić promieniami gamma, prawdopodobnie pochodzącymi z ciemnej materii.

Wzory pasują do modeli teoretycznych, ale jury jest nadal poza zasięgiem, czy promienie gamma są naprawdę z ciemnej materii. Mogły one również pochodzić od energetycznych gwiazd zwanych pulsarami lub od zapadających się gwiazd.

As well as colliding with normal matter, dark matter might occasionally bump into itself, and there’s a way to see that too.

You cannot grab a galaxy-sized cloud of dark matter and put it under a microscope

Massey’s team has recently monitored galaxies smashing into each other. Spodziewali się, że cała ciemna materia w galaktykach przejdzie prosto przez nie, ale zamiast tego część z niej zwolniła, pozostając w tyle za galaktyką, do której należała.

To wskazuje, że weszła w interakcję z inną ciemną materią. „Jeśli tak było, to jest to pierwszy dowód na to, że obchodzi ją choć trochę reszta świata” – mówi Massey.

Obydwie te metody mają poważną wadę: nie można złapać chmury ciemnej materii wielkości galaktyki i umieścić jej pod mikroskopem. Są one zbyt duże i zbyt odległe.

Dlatego drugim sposobem na wykrycie ciemnej materii byłoby najpierw jej stworzenie.

Fizycy mają nadzieję to zrobić, używając zderzacza cząstek, takiego jak Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) w Genewie, w Szwajcarii.

LHC rozbija protony z prędkościami bliskimi prędkości światła. Zderzenia te są wystarczająco silne, aby rozbić protony na ich części składowe. LHC bada następnie te subatomowe odłamki.

Podczas tych potężnych zderzeń mogą zostać odkryte nowe cząstki, takie jak WIMP-y, mówi Malcolm Fairbairn z Kings College London w Wielkiej Brytanii.

„Jeśli WIMP-y rzeczywiście tworzą ciemną materię i odkryjemy je w LHC, mamy duże szanse na rozpracowanie, z czego składa się ciemna materia we Wszechświecie”, mówi.

Jednakże, jeśli ciemna materia nie jest podobna do WIMP-ów, LHC jej nie wykryje.

Naukowcy czekają na rzadkie okazje, kiedy WIMP-y zderzą się z normalną materią

Jest jeszcze jedna trudność. Jeśli LHC wytworzy jakąś ciemną materię, nie zostanie ona zarejestrowana w detektorach.

Zamiast tego system może znaleźć grupę cząstek poruszających się w jednym kierunku, ale nic w drugim, mówi Fairbairn. Jedyny sposób, w jaki mogłoby się to zdarzyć, to gdyby w ruchu było coś innego, czego detektory nie mogły wychwycić. „To może być cząstka ciemnej materii.”

Jeśli to również zawiedzie, fizycy mają trzecią opcję, na którą mogą się powołać: podróż głęboko pod ziemię.

W starych kopalniach i wewnątrz gór naukowcy czekają na rzadkie okazje, kiedy WIMPy zderzają się z normalną materią – ten sam rodzaj zderzeń, które teleskop Fermiego mógł zaobserwować w głębokim kosmosie.

Biliony cząstek ciemnej materii przechodzą przez nas w każdej sekundzie. „Są w waszym biurze, w waszym pokoju, wszędzie” – mówi Frenk. „Przechodzą przez wasze ciała w tempie miliardów na sekundę, a wy nic nie czujecie.”

Po drodze było kilka fałszywych alarmów

W teorii powinniśmy być w stanie dostrzec małe błyski promieni gamma z tych zderzeń. Kłopot w tym, że wiele innych rzeczy również przechodzi, w tym promieniowanie w postaci promieni kosmicznych, a to tłumi sygnał z ciemnej materii.

Stąd podziemne eksperymenty: skały powyżej blokują większość promieniowania, ale przepuszczają ciemną materię.

Do tej pory większość fizyków zgadza się, że nie widzieliśmy jeszcze żadnych przekonujących sygnałów z tych detektorów. Praca opublikowana w sierpniu 2015 roku wyjaśnia, że detektor XENON100 we włoskim Gran Sasso National Laboratory nie zdołał niczego znaleźć.

Po drodze pojawiło się kilka fałszywych alarmów. Inny zespół z tego samego laboratorium, używający innego detektora, przez lata twierdził, że ich eksperyment DAMA wykrył ciemną materię. Wygląda na to, że coś znaleźli, ale większość fizyków twierdzi, że nie jest to WIMP.

Jeden z tych detektorów, lub LHC, może jeszcze znaleźć jakąś ciemną materię. Ale znalezienie jej w jednym miejscu nie wystarczy.

To pokorne przypomnienie, jak daleko jeszcze musimy się posunąć, zanim naprawdę zrozumiemy nasz Wszechświat

„Ostatecznie będziemy musieli odkryć ciemną materię na więcej niż jeden sposób, aby mieć pewność, że to, co obserwujemy w laboratorium, to ta sama rzecz latająca w galaktykach”, mówi Fairbairn.

Na razie większość naszego Wszechświata pozostaje ciemna i nie wiadomo, jak długo tak pozostanie.

Niektórzy kosmolodzy, między innymi Frenk, mają nadzieję, że w ciągu następnej dekady uzyskamy jakieś odpowiedzi. Inni, jak Green, są mniej pewni. Mówi, że jeśli LHC nie znajdzie czegoś wkrótce, to prawdopodobnie szukamy niewłaściwych rzeczy.

Minęło ponad 80 lat, odkąd Zwicky po raz pierwszy zasugerował istnienie ciemnej materii. Przez cały ten czas nie udało nam się zdobyć próbki, ani ustalić, czym ona jest.

To pokorne przypomnienie, jak daleko jeszcze musimy się posunąć, zanim naprawdę zrozumiemy nasz Wszechświat. Możemy zrozumieć wszystkie rodzaje rzeczy, od początku Wszechświata do ewolucji życia na Ziemi. Ale większość naszego Wszechświata to wciąż czarna skrzynka, której tajemnice czekają na odblokowanie.

Melissa Hogenboom jest felietonistką BBC Earth, jest @melissasuzanneh na twitterze.

Śledź BBC Earth na Facebooku, Twitterze i Instagramie.

.