Se um extraterrestre conseguisse visitar o nosso Universo a partir de uma realidade paralela, há uma grande probabilidade de nem sequer notar que existimos.

De uma forma que é óbvia: o Universo é enorme e o nosso planeta é apenas um pequeno ponto azul pálido. Mas é pior do que isso: os alienígenas podem nem notar todas as estrelas e os planetas que os orbitam. Eles podem até sentir falta das vastas nuvens de poeira que flutuam pelo espaço.

Todas estas coisas familiares constituem apenas uma fração da matéria do nosso Universo. O resto é outra coisa, um material que ninguém na Terra jamais viu.

Por falta de um nome melhor, os físicos chamam isso de “matéria escura”. Se não estivesse lá, as galáxias voariam separadas. Ninguém sabe o que é, mas os físicos estão no seu rasto.

Tudo o que você vê ao seu redor, do seu próprio corpo para o planeta em que você está e as estrelas no céu, é feito de átomos. Estes, por sua vez, são feitos de partículas menores como prótons e nêutrons, muitos dos quais podem ser quebrados ainda mais.

Quando os físicos começaram a entender a composição dos átomos no início do século 20, parecia que estávamos prestes a entender a base de toda a matéria no Universo.

Mas em 1933, um astrônomo suíço chamado Fritz Zwicky começou a argumentar que a maior parte do Universo tinha que ser feita de algo completamente diferente.

Zwicky contou todo o material que ele podia observar em grupos de galáxias. Ele descobriu que não havia ali matéria suficiente para explicar a força da gravidade que as mantinha juntas.

Este era um teórico maluco que não conseguia fazer com que as suas forças somassem

As galáxias que Zwicky observou também estavam a girar tão rápido que deveriam ter-se atirado e espalhado por todos os cantos do Universo, diz Richard Massey da Universidade de Durham no Reino Unido. Cada galáxia era como um carrossel que girava muito rápido: qualquer cavaleiro seria expulso.

Zwicky percebeu que deveria haver algo mais lá, que ele não podia observar diretamente, mas que tinha uma força gravitacional forte o suficiente para manter tudo junto. Ele disse que essa forma desconhecida de matéria era “escura”.

Na época ele era considerado um excêntrico e suas teorias não eram levadas a sério. “Este era um teórico maluco que não conseguia juntar as suas forças, e assim inventou toda uma nova forma de matéria”, diz Massey.

O trabalho de Zwicky foi largamente esquecido até aos anos 70, quando a astrónoma Vera Rubin descobriu que as galáxias próximas não estavam a girar da forma correcta.

Algo deve ter estado lá para evitar que estas estrelas voassem

No nosso sistema solar, aplica-se uma regra simples. Quanto mais longe um planeta está do Sol, mais fraca é a gravidade. Como resultado, este planeta se moverá mais lentamente, e levará mais tempo para completar uma órbita.

A mesma lógica deve ser aplicada às estrelas que orbitam o centro de uma galáxia. As estrelas mais afastadas devem mover-se mais devagar à medida que o domínio da gravidade enfraquece.

Em vez disso, Rubin descobriu que as estrelas mais afastadas se movem tão rapidamente quanto as estrelas próximas.

Algo deve ter estado lá para evitar que estas estrelas voassem. Afinal, Zwicky tinha estado no caminho certo.

Astrônomos agora acreditam que a matéria escura tem sido fundamental na criação do Universo como o conhecemos.

A matéria escura é como o vento: não podemos vê-la diretamente, mas sabemos que está lá

Almost 14 bilhões de anos atrás, momentos depois do Big Bang, o Universo começou a se expandir rapidamente e aglomerados de galáxias começaram a se formar.

No entanto, o Universo não se expandiu tão rápido que todas essas galáxias voaram para longe em cantos longínquos. Isso porque a matéria escura ancora tudo junto, apesar de ser invisível.

Em um sentido a matéria escura é como o vento: não podemos vê-la directamente, mas sabemos que está lá. Além disso, há muita coisa: cerca de 25% do Universo.

Confusivamente, por vezes diz-se que a matéria escura constitui cerca de 80% de toda a matéria do Universo. Isso porque apenas 30% do Universo é composto por matéria, e a maior parte é matéria escura. O resto é energia.

Nos anos 80, a primeira evidência sólida para a matéria escura estava chegando.

A matéria escura é o esqueleto no qual a matéria comum pende

Por exemplo, em 1981, uma equipe liderada por Marc Davis da Universidade de Harvard realizou uma das primeiras pesquisas galácticas. Eles perceberam que as galáxias não estavam dispostas em padrões uniformes. Elas “não são apenas polvilhadas como cereja em um bolo”, diz Carlos Frenk da Universidade de Durham no Reino Unido.

Em vez disso as galáxias se reúnem em grandes aglomerados, cada um contendo centenas de milhares de galáxias. Estas fazem padrões intrincados conhecidos como a “teia cósmica”. Esta teia está ligada à matéria escura.

Em outras palavras, a matéria escura é o esqueleto no qual a matéria comum pende, diz Carolin Crawford, da Universidade de Cambridge, no Reino Unido. “Nós sabemos que ela precisava estar por perto no início do Universo. É crucial juntar essas coisas que irão então desenvolver as estruturas que vemos”

A descoberta desses aglomerados causou uma sensação, diz Frenk. Davis, seu chefe na época, o desafiou a descobrir porque galáxias foram organizadas desta forma.

Quando Frenk começou sua busca, ele descobriu que alguém alegou tê-lo vencido. Em 1980 uma equipa russa liderada por VA Lyubimov tinha apresentado uma possível explicação da matéria negra. Eles propuseram que ele era feito de neutrinos.

Encontramos um Universo com matéria escura quente não se parecia nada com um Universo real

Fazia um certo sentido. Neutrinos são partículas escuras, fantasmagóricas, que mal interagem com qualquer outra coisa. Os pesquisadores sugeriram que a massa combinada de todos os neutrinos do Universo poderia ser responsável pela massa em falta.

Existiu um problema. Neutrinos são “matéria escura quente”, ou seja, são leves e, portanto, capazes de se mover rapidamente. Quando Frenk simulou um cosmos cheio de matéria escura quente, ele descobriu que não podia funcionar.

“Para nossa grande decepção, encontramos um Universo com matéria escura quente não se parecia nada com um Universo real”, diz Frenk. “Era bonito, mas não era um em que vivíamos. Havia um enorme supercluster de galáxias, que sabíamos que não existia”

Em vez disso, a matéria escura deve ser fria e lenta”. O passo seguinte foi descobrir onde está essa matéria escura fria.

Embora não possamos vê-la diretamente, a matéria escura faz uma coisa para se entregar. Ela dobra a luz que passa por ela. É um pouco como quando a luz brilha através de uma piscina ou de uma janela fosca do banheiro.

Pelo menos temos uma idéia aproximada de onde está a matéria escura.

O efeito é chamado de “lente gravitacional” e pode ser usado para descobrir onde estão as nuvens de matéria escura. Usando esta técnica, os cientistas estão criando mapas da matéria escura do Universo.

No momento em que eles mapearam apenas uma fração. Mas a equipe por trás de um desses projetos tem objetivos ambiciosos, esperando mapear um oitavo do nosso Universo, totalizando milhões de galáxias. Para colocar isso em contexto, nossa própria galáxia, a Via Láctea, contém bilhões de estrelas e possivelmente até 100 bilhões de planetas.

Por enquanto esses mapas são muito grosseiros para mostrar qualquer detalhe. É como dizer que você tem uma idéia básica dos continentes na Terra, mas o que você está realmente interessado são as formas das montanhas e dos lagos, diz Gary Prezeau no Laboratório de Propulsão a Jato da Nasa no Instituto de Tecnologia da Califórnia.

Pouco temos uma idéia aproximada de onde está a matéria escura. Mas ainda não sabemos o que é.

Several ideas have been put forward, but right now the most popular suggestion is that dark matter is made of a new kind of particle, predicted by theory but never detected. Eles são chamados WIMPs: Weakly Interacting Massive Particles.

O termo “WIMP” é apenas um slogan, e poderia incluir muitos tipos diferentes de partículas

WIMPs são fracos em todos os sentidos do mundo, diz Anne Green da Universidade de Nottingham, no Reino Unido. Primeiro, eles mal interagem uns com os outros, muito menos com a matéria normal. Quando você bate numa parede, sua mão colide com ela, mas quando um WIMP bate numa parede ou em si mesmo, ele geralmente passa direto.

A segunda parte da sigla fala por si mesmo. Os WIMPs têm muita massa, embora não sejam necessariamente grandes. Eles podem pesar centenas ou milhares de vezes mais que um próton, diz Green.

O problema é que não sabemos.

O termo “WIMP” é apenas uma frase, e poderia incluir muitos tipos diferentes de partículas, diz Massey. Pior, porque elas são supostamente tão fantasmagóricas, são extremamente difíceis de detectar.

Neste ponto você pode estar jogando seus braços para cima em frustração. “Primeiro eles decidiram que há toda essa matéria invisível, agora eles decidiram que é feita de algum novo tipo de coisa que eles não conseguem detectar! Isto é uma parvoíce.” Bem, você não é a primeira pessoa a dizê-lo.

Já em 1983, alguns físicos têm argumentado que a matéria negra não existe de todo. Em vez disso, as leis da gravidade como as conhecemos devem estar erradas, e é por isso que as galáxias se comportam de forma tão estranha. Esta idéia é chamada de MOND, abreviação para “Modified Newtonian Dynamics”.

Qualquer um que queira inventar uma nova teoria da gravidade tem que ir melhor que Einstein

“Estamos interpretando todos esses carrosséis do Universo, como eles estão zumbindo e sendo puxados pela gravidade, assumindo que sabemos como a gravidade funciona”, diz Massey. “Talvez estejamos interpretando mal as evidências”

O problema, diz Massey, é que os apoiadores do MOND não encontraram uma alternativa viável à matéria negra: suas idéias não conseguem explicar os dados. “Quem quiser inventar uma nova teoria da gravidade tem que ir melhor que Einstein e explicar tudo o que ele foi capaz de explicar, e também explicar a matéria negra”.

Em 2006, a NASA lançou uma imagem espetacular que, para muitos pesquisadores, matou MOND para sempre.

A imagem mostra dois enormes aglomerados de galáxias colidindo. Como a maior parte da matéria é claramente visível no centro, é aqui que se espera que a maior parte da gravidade exista.

Existem três formas diferentes de encontrar matéria escura

Mas as regiões exteriores mostram luz que também está a ser curvada pela gravidade, implicando que existe uma outra forma de matéria nessas áreas. A imagem foi saudada como prova direta da existência de matéria escura.

Se isso está certo, estamos de volta onde estávamos. O desafio é encontrar matéria escura quando não sabemos o que procuramos.

Pode parecer pior que o velho problema da agulha num palheiro, mas na verdade existem três maneiras diferentes de encontrá-la.

A primeira maneira é observar a matéria escura em ação no cosmos. Ao monitorar como ela se comporta usando os “mapas” de matéria escura existentes, os astrônomos podem ser capazes de detectar um acidente ocasional.

Eles encontraram uma área da nossa galáxia Via Láctea que parece estar brilhando com raios gama

Partículas de matéria escura geralmente passam através da matéria normal. Mas o número absoluto delas significa que, muito ocasionalmente, algumas colidem com o núcleo de um átomo.

Quando isto acontece, a matéria escura “chuta” o átomo, fazendo-o recuar como uma bola de bilhar. Esta colisão deve criar raios gama: luz extremamente alta de energia. Nessas raras ocasiões, “a matéria escura pode brilhar”, diz Frenk.

“Há experimentos de detecção direta que estão procurando por esses recuos nucleares”, diz Green.

Em 2014, usando dados do poderoso telescópio Fermi da NASA, pesquisadores afirmaram ter detectado os raios gama dessas colisões. Eles encontraram uma área da nossa galáxia Via Láctea que parece estar brilhando com raios gama, possivelmente de matéria escura.

Os padrões encaixam em modelos teóricos, mas o júri ainda está fora sobre se os raios gama são realmente de matéria escura. Eles também podem ter vindo de estrelas energéticas chamadas pulsares, ou de estrelas em colapso.

Como além de colidirem com matéria normal, a matéria escura pode ocasionalmente chocar consigo mesma, e há uma maneira de ver isso também.

Você não pode pegar uma nuvem de matéria escura do tamanho de uma galáxia e colocá-la sob um microscópio

A equipe de Massey monitorou recentemente galáxias se esmagando umas contra as outras. Eles esperavam que toda a matéria escura nas galáxias passasse a direito, mas em vez disso algumas delas abrandaram, ficando atrás da galáxia à qual pertencia.

Isto indica que ela tinha interagido com outra matéria escura. “Se o fez, então essa é a primeira evidência de que ela se importa apenas um pouquinho com o resto do mundo”, diz Massey.

Bambos esses métodos têm um grande inconveniente: você não pode pegar uma nuvem de matéria escura do tamanho de uma galáxia e colocá-la sob um microscópio. Eles são muito grandes e muito longe.

Então uma segunda maneira de detectar matéria escura seria criá-la primeiro.

Os físicos esperam fazer isso usando colididores de partículas, como o Large Hadron Collider (LHC) em Genebra, Suíça.

O LHC esmaga os prótons juntos a velocidades próximas à da luz. Estas colisões são suficientemente poderosas para quebrar os prótons em suas partes constituintes. O LHC então estuda esses detritos subatômicos.

Durante essas colisões poderosas, novas partículas como WIMPs poderiam muito bem ser descobertas, diz Malcolm Fairbairn do Kings College London no Reino Unido.

“Se os WIMPs compõem a matéria escura e nós os descobrimos no LHC, então estamos com uma boa chance de descobrir do que a matéria escura no Universo é composta”, diz ele.

No entanto, se a matéria escura não é como um WIMP, o LHC não a detectará.

Os cientistas estão à espera das raras ocasiões em que os WIMPs colidem com a matéria normal

Há outra dificuldade. Se o LHC criar alguma matéria escura, ele não registraria em seus detectores.

Em vez disso, o sistema pode encontrar um grupo de partículas se movendo em uma direção, mas nada na outra, diz Fairbairn. A única maneira que poderia acontecer é se houvesse algo mais em movimento que os detectores não conseguissem captar. “Isso poderia então ser uma partícula de matéria escura”

Se isso também falhar, os físicos têm uma terceira opção para cair de volta: viajar profundamente no subsolo.

Em minas antigas e dentro de montanhas, os cientistas estão à espera das raras ocasiões em que os WIMPs colidem com a matéria normal – o mesmo tipo de colisões que o telescópio Fermi pode ter observado no espaço profundo.

Bilhões de partículas de matéria negra passam por nós a cada segundo. “Elas estão no seu escritório, no seu quarto, em todos os lugares”, diz Frenk. “Eles estão atravessando seus corpos a uma taxa de bilhões por segundo e você não sente nada.”

Houve alguns falsos alarmes pelo caminho

Em teoria, devemos ser capazes de detectar os pequenos flashes de raios gama a partir destas colisões. O problema é que muitas outras coisas também estão passando, incluindo radiação sob a forma de raios cósmicos, e isto pântano o sinal da matéria escura.

>

Atenha os experimentos subterrâneos: as rochas acima bloqueiam a maior parte da radiação, mas permitem que a matéria escura passe.

Até agora, a maioria dos físicos concorda que ainda não vimos nenhum sinal convincente destes detectores. Um artigo publicado em agosto de 2015 explica que o detector XENON100 no Laboratório Nacional Gran Sasso da Itália não conseguiu encontrar nada.

Existiram alguns falsos alarmes pelo caminho. Outra equipa do mesmo laboratório, utilizando um detector diferente, afirmou durante anos que a sua experiência DAMA tinha detectado matéria escura. Eles parecem ter encontrado alguma coisa, mas a maioria dos físicos dizem que não é um WIMP.

Um destes detectores, ou o LHC, pode ainda encontrar alguma matéria escura. Mas encontrá-lo em um lugar não será suficiente.

É um humilhante lembrete de quão longe ainda temos que ir antes de realmente entender nosso Universo

“Finalmente teremos que descobrir a matéria escura de mais de uma maneira para ter certeza de que a coisa que estamos observando no laboratório é a mesma coisa voando em galáxias”, diz Fairbairn.

Por enquanto, a maior parte do nosso Universo permanece escuro, e não está claro quanto tempo ficará assim.

Alguns cosmólogos, entre eles Frenk, estão esperançosos de que obteremos algumas respostas na próxima década. Outros, como o Verde, estão menos confiantes. Se o LHC não encontrar algo em breve, diz ela, provavelmente estamos à procura da coisa errada.

Foi há mais de 80 anos que Zwicky sugeriu pela primeira vez a existência de matéria negra. Em todo esse tempo, não fomos capazes de obter uma amostra, ou pregar o que é.

É uma lembrança humilhante de quão longe ainda temos de ir antes de realmente compreendermos o nosso Universo. Podemos compreender todo o tipo de coisas, desde o início do Universo até à evolução da vida na Terra. Mas a maior parte do nosso Universo ainda é uma caixa preta, os seus segredos à espera de serem desbloqueados.

Melissa Hogenboom é a escritora de reportagens da BBC Earth, ela é @melissasuzanneh no twitter.

Follow BBC Earth no Facebook, Twitter, e Instagram.