Dacă un extraterestru ar reuși să viziteze Universul nostru dintr-o realitate paralelă, există mari șanse ca acesta să nu observe nici măcar că existăm.

Într-un fel, acest lucru este evident: Universul este imens, iar planeta noastră nu este decât un mic punct albastru palid. Dar este mai rău decât atât: s-ar putea ca extratereștrii nici măcar să nu observe toate stelele și planetele care le orbitează. Ei ar putea chiar să nu observe norii imenși de praf care plutesc prin spațiu.

Toate aceste lucruri familiare alcătuiesc doar o fracțiune din materia din Universul nostru. Restul este altceva, un material pe care nimeni de pe Pământ nu l-a văzut vreodată.

În lipsa unui nume mai bun, fizicienii numesc această materie „materie întunecată”. Dacă nu ar exista, galaxiile ar zbura în bucăți. Nimeni nu știe ce este, dar fizicienii sunt pe urmele ei.

Toate lucrurile pe care le vedeți în jurul vostru, de la propriul corp până la planeta pe care stați și stelele de pe cer, sunt făcute din atomi. Aceștia, la rândul lor, sunt compuși din particule mai mici, cum ar fi protonii și neutronii, multe dintre acestea putând fi descompuse și mai mult.

Când fizicienii au început să înțeleagă alcătuirea atomilor la începutul secolului XX, se părea că suntem pe cale să înțelegem baza întregii materii din Univers.

Dar în 1933, un astronom elvețian pe nume Fritz Zwicky a început să susțină că cea mai mare parte a Universului trebuie să fie alcătuită din cu totul altceva.

Zwicky a numărat toată materia pe care a putut-o observa în grupuri de galaxii. El a constatat că nu exista suficientă materie acolo pentru a explica forța gravitațională care le ținea împreună.

Acesta era un teoretician nebun care nu reușea să adune forțele

Galaxiile pe care Zwicky le-a observat se roteau, de asemenea, atât de repede încât ar fi trebuit să se arunce și să se împrăștie în toate colțurile Universului, spune Richard Massey de la Universitatea Durham din Marea Britanie. Fiecare galaxie era ca un carusel care se învârte prea repede: orice călăreț ar fi fost aruncat de acolo.

Zwicky și-a dat seama că acolo trebuie să existe altceva, pe care nu l-a putut observa direct, dar care avea o atracție gravitațională suficient de puternică pentru a ține totul laolaltă. El a spus că această formă necunoscută de materie era „întunecată”.

La vremea respectivă a fost considerat un excentric și teoriile sale nu au fost luate în serios. „Acesta era un teoretician nebun care nu reușea să-și adune forțele, așa că a inventat o formă complet nouă de materie”, spune Massey.

Lucrarea lui Zwicky a fost în mare parte uitată până în anii 1970, când astronomul Vera Rubin a descoperit că galaxiile din apropiere nu se roteau în mod corect.

Ceva trebuie să fi fost acolo pentru a împiedica aceste stele să zboare departe

În sistemul nostru solar, se aplică o regulă simplă. Cu cât o planetă este mai departe de Soare, cu atât mai slabă este reținerea gravitației. Ca urmare, această planetă se va deplasa mai încet și îi va lua mai mult timp pentru a completa o orbită.

Aceeași logică ar trebui să se aplice și în cazul stelelor care orbitează în jurul centrului unei galaxii. Stelele cele mai îndepărtate ar trebui să se deplaseze cel mai încet pe măsură ce strânsoarea gravitației slăbește.

În schimb, Rubin a descoperit că stelele cele mai îndepărtate se deplasează la fel de repede ca și stelele din apropiere.

Ceva trebuie să fi fost acolo pentru a împiedica aceste stele să zboare. Până la urmă, Zwicky fusese pe drumul cel bun.

Astronomii cred acum că materia întunecată a fost fundamentală în crearea Universului așa cum îl cunoaștem noi.

Materia întunecată este ca vântul: nu o putem vedea direct, dar știm că este acolo

Cu aproape 14 miliarde de ani în urmă, la câteva momente după Big Bang, Universul a început să se extindă rapid și au început să se formeze roiuri de galaxii.

Cu toate acestea, Universul nu s-a extins atât de repede încât toate aceste galaxii să zboare în colțuri îndepărtate. Acest lucru se datorează faptului că materia întunecată ancorează totul laolaltă, în ciuda faptului că este invizibilă.

Într-un sens, materia întunecată este ca vântul: nu o putem vedea în mod direct, dar știm că este acolo. Mai mult, există foarte multă materie întunecată: aproximativ 25% din Univers.

În mod confuz, se spune uneori că materia întunecată reprezintă aproximativ 80% din toată materia din Univers. Acest lucru se datorează faptului că doar 30% din Univers este alcătuit din materie, iar cea mai mare parte din ea este materie întunecată. Restul este energie.

Până în anii 1980, au început să apară primele dovezi solide pentru materia întunecată.

Materia întunecată este scheletul pe care atârnă materia obișnuită

De exemplu, în 1981, o echipă condusă de Marc Davis de la Universitatea Harvard a efectuat una dintre primele cercetări galactice. Aceștia și-au dat seama că galaxiile nu erau dispuse într-un model uniform. Ele „nu sunt „presărate ca glazura pe un tort”, spune Carlos Frenk de la Universitatea Durham din Marea Britanie.

În schimb, galaxiile se adună în grupuri mari, fiecare conținând sute de mii de galaxii. Acestea formează modele complicate cunoscute sub numele de „pânză cosmică”. Această pânză este legată împreună cu materia întunecată.

Cu alte cuvinte, materia întunecată este scheletul pe care atârnă materia obișnuită, spune Carolin Crawford de la Universitatea Cambridge din Marea Britanie. „Știm că trebuia să fie prezentă în Universul timpuriu. Este crucial să se adune acea materie care va continua apoi să dezvolte structurile pe care le vedem.”

Descoperirea acestor clustere a făcut senzație, spune Frenk. Davis, șeful său de la acea vreme, l-a provocat să afle de ce galaxiile erau aranjate în acest fel.

Când Frenk a început căutările, a descoperit că cineva pretindea că i-a luat-o înainte. În 1980, o echipă rusă condusă de VA Lyubimov stabilise o posibilă explicație a materiei întunecate. Ei au propus ca aceasta să fie formată din neutrini.

Am descoperit că un Univers cu materie întunecată fierbinte nu semăna deloc cu un Univers real

Avea un anumit sens. Neutrinii sunt particule întunecate, fantomatice, care abia interacționează cu orice altceva. Cercetătorii au sugerat că masa combinată a tuturor neutrinilor din Univers ar putea explica masa lipsă.

A existat o problemă. Neutrinii sunt „materie întunecată fierbinte”, ceea ce înseamnă că sunt ușori și, prin urmare, capabili să se deplaseze rapid. Când Frenk a simulat un cosmos plin de materie întunecată fierbinte, a descoperit că nu putea funcționa.

„Spre marea noastră dezamăgire, am descoperit că un Univers cu materie întunecată fierbinte nu semăna deloc cu un Univers real”, spune Frenk. „Era drăguț, dar nu era unul în care trăim noi. Exista acest supercluster enorm de galaxii, despre care știam că nu există.”

În schimb, materia întunecată trebuie să fie rece și să se miște lent. Următorul pas a fost să aflăm unde se află această materie întunecată rece.

Deși nu o putem vedea direct, materia întunecată face un lucru pentru a se da de gol. Ea curbează lumina care trece prin ea. Este un pic ca atunci când lumina strălucește printr-o piscină sau prin geamul mat al unei băi.

Avem cel puțin o idee aproximativă despre unde se află materia întunecată

Efectul se numește „lentilă gravitațională” și poate fi folosit pentru a ne da seama unde sunt norii de materie întunecată. Folosind această tehnică, oamenii de știință creează hărți ale materiei întunecate din Univers.

Până în prezent, ei au cartografiat doar o fracțiune. Dar echipa din spatele unui astfel de proiect are obiective ambițioase, sperând să cartografieze o optime din Universul nostru, însemnând milioane de galaxii. Pentru a pune acest lucru în context, propria noastră galaxie, Calea Lactee, conține miliarde de stele și posibil până la 100 de miliarde de planete.

Pentru moment, aceste hărți sunt prea rudimentare pentru a arăta orice detaliu. Este ca și cum ați spune că aveți o idee de bază despre continentele de pe Pământ, dar ceea ce vă interesează cu adevărat sunt formele munților și lacurilor, spune Gary Prezeau de la Jet Propulsion Laboratory al Nasa de la California Institute of Technology.

Cu toate acestea, avem cel puțin o idee aproximativă despre unde se află materia întunecată. Dar încă nu știm ce este.

Au fost avansate mai multe idei, dar în acest moment cea mai populară sugestie este că materia întunecată este formată dintr-un nou tip de particulă, prezisă de teorie, dar niciodată detectată. Acestea se numesc WIMP: Weakly Interacting Massive Particles (Particule masive cu interacțiune slabă).

Termenul „WIMP” este doar o sintagmă și ar putea include multe tipuri diferite de particule

WIMP-urile sunt slabe în toate sensurile lumii, spune Anne Green de la Universitatea Nottingham din Marea Britanie. În primul rând, ele abia interacționează între ele, ca să nu mai vorbim de materia normală. Când te lovești de un perete, mâna ta se ciocnește de el, dar când un WIMP lovește un perete sau pe el însuși, de obicei va trece direct prin el.

A doua parte a acronimului vorbește de la sine. WIMP-urile au multă masă, deși nu sunt neapărat mari. Ele ar putea cântări de sute sau mii de ori mai mult decât un proton, spune Green.

Ceea ce este, nu știm.

Termenul „WIMP” este doar o sintagmă și ar putea include multe tipuri diferite de particule, spune Massey. Mai rău, deoarece se presupune că sunt atât de fantomatice, ele sunt extrem de greu de detectat.

În acest moment s-ar putea să vă aruncați brațele în sus de frustrare. „Mai întâi au decis că există toată această materie invizibilă, acum au decis că este făcută dintr-un nou tip de materie pe care nu o pot detecta! E o prostie.” Ei bine, nu sunteți prima persoană care o spune.

Încă din 1983, unii fizicieni au susținut că materia întunecată nu există deloc. În schimb, legile gravitației, așa cum le cunoaștem noi, trebuie să fie greșite și de aceea galaxiile se comportă atât de ciudat. Această idee se numește MOND, prescurtare de la „Modified Newtonian Dynamics” (dinamică newtoniană modificată).

Oricine vrea să inventeze o nouă teorie a gravitației trebuie să facă ceva mai mult decât Einstein

„Interpretăm toate aceste caruseluri ale Universului, modul în care ele se învârt și sunt trase de gravitație, presupunând că știm cum funcționează gravitația”, spune Massey. „Poate că am înțeles greșit gravitația și interpretăm greșit dovezile.”

Problema, spune Massey, este că susținătorii MOND nu au venit cu o alternativă viabilă la materia întunecată: ideile lor nu pot explica datele. „Oricine vrea să inventeze o nouă teorie a gravitației trebuie să facă ceva mai mult decât Einstein și să explice tot ceea ce el a fost capabil să explice și, de asemenea, să explice materia întunecată.”

În 2006, NASA a publicat o imagine spectaculoasă care, pentru mulți cercetători, a ucis MOND pentru totdeauna.

Imaginea arată două roiuri enorme de galaxii care se ciocnesc. Deoarece cea mai mare parte a materiei este vizibilă în mod clar în centru, aici ne-am aștepta să existe cea mai mare parte a gravitației.

Există trei moduri diferite de a găsi materia întunecată

Dar regiunile exterioare arată lumină care este, de asemenea, îndoită de gravitație, ceea ce implică faptul că există o altă formă de materie în acele zone. Imaginea a fost salutată ca o dovadă directă a existenței materiei întunecate.

Dacă așa este, ne-am întors unde am fost. Provocarea este de a găsi materia întunecată atunci când nu știm ce căutăm.

Poate suna mai rău decât vechea problemă a acului în carul cu fân, dar de fapt există trei moduri diferite de a o găsi.

Primul mod este de a observa materia întunecată în acțiune în cosmos. Monitorizând modul în care aceasta se comportă folosind „hărțile” existente ale materiei întunecate, astronomii ar putea fi capabili să detecteze o prăbușire ocazională.

Ei au găsit o zonă a galaxiei noastre Calea Lactee care pare să strălucească cu raze gamma

Particulele de materie întunecată trec de obicei prin materia normală. Dar numărul mare al acestora înseamnă că, foarte ocazional, unele se vor ciocni cu nucleul unui atom.

Când se întâmplă acest lucru, materia întunecată „lovește” atomul, făcându-l să se retragă ca o minge de biliard. Această coliziune ar trebui să creeze raze gamma: lumină de energie extrem de înaltă. În aceste rare ocazii, „materia întunecată poate străluci”, spune Frenk.

„Există experimente de detecție directă care caută aceste reculuri nucleare”, spune Green.

În 2014, folosind date de la puternicul telescop Fermi al NASA, cercetătorii au susținut că au detectat razele gamma din aceste coliziuni. Ei au descoperit o zonă din galaxia noastră Calea Lactee care pare să strălucească de raze gamma, posibil de la materia întunecată.

Modelele se potrivesc cu modelele teoretice, dar juriul încă nu a stabilit dacă razele gamma provin cu adevărat de la materia întunecată. Ele ar fi putut proveni, de asemenea, de la stele energetice numite pulsari sau de la stele în colaps.

Pe lângă coliziunea cu materia normală, materia întunecată ar putea ocazional să se ciocnească de ea însăși și există o modalitate de a vedea și acest lucru.

Nu puteți lua un nor de materie întunecată de mărimea unei galaxii și să-l puneți sub un microscop

Echipa lui Massay a monitorizat recent galaxiile care se ciocnesc între ele. Ei se așteptau ca toată materia întunecată din galaxii să treacă direct prin ele, dar, în schimb, o parte din ea a încetinit, rămânând în urma galaxiei căreia îi aparținea.

Acest lucru indică faptul că a interacționat cu altă materie întunecată. „Dacă a făcut-o, atunci aceasta este prima dovadă că îi pasă cât de puțin de restul lumii”, spune Massey.

Ambele metode au un dezavantaj major: nu puteți lua un nor de materie întunecată de mărimea unei galaxii și să-l puneți sub un microscop. Sunt prea mari și prea departe.

Așa că o a doua modalitate de a detecta materia întunecată ar fi să o creezi mai întâi.

Fizicienii speră să facă exact acest lucru folosind acceleratoare de particule, cum ar fi Large Hadron Collider (LHC) din Geneva, Elveția.

LHC sparge protoni împreună la viteze apropiate de cea a luminii. Aceste coliziuni sunt suficient de puternice pentru a descompune protonii în părțile lor constitutive. LHC studiază apoi aceste resturi subatomice.

În timpul acestor coliziuni puternice, ar putea fi descoperite noi particule, cum ar fi WIMP-urile, spune Malcolm Fairbairn de la Kings College London din Marea Britanie.

„Dacă WIMP-urile compun materia întunecată și le descoperim la LHC, atunci avem o șansă bună de a afla din ce este compusă materia întunecată din Univers”, spune el.

Cu toate acestea, dacă materia întunecată nu este ca un WIMP, LHC nu o va detecta.

Oamenii de știință așteaptă rarele ocazii în care WIMP-urile se ciocnesc cu materia normală

Există o altă dificultate. Dacă LHC creează într-adevăr niște materie întunecată, aceasta nu s-ar înregistra efectiv pe detectoarele sale.

În schimb, sistemul ar putea găsi un grup de particule care se mișcă într-o direcție, dar nimic în cealaltă, spune Fairbairn. Singurul mod în care acest lucru s-ar putea întâmpla este dacă ar exista altceva în mișcare pe care detectoarele nu l-ar putea capta. „Aceea ar putea fi atunci o particulă de materie întunecată.”

Dacă și acest lucru eșuează, fizicienii au o a treia opțiune la care pot recurge: să călătorească adânc în subteran.

În minele vechi și în interiorul munților, oamenii de știință așteaptă rarele ocazii în care WIMP-urile se ciocnesc cu materia normală – același tip de coliziuni pe care telescopul Fermi le-ar fi putut observa în spațiul cosmic.

Miliarde de particule de materie întunecată trec prin noi în fiecare secundă. „Ele se află în biroul dumneavoastră, în camera dumneavoastră, peste tot”, spune Frenk. „Ele trec prin corpurile voastre cu o rată de miliarde pe secundă și nu simțiți nimic.”

Au existat câteva alarme false de-a lungul timpului

În teorie ar trebui să fim capabili să observăm micile sclipiri de raze gamma de la aceste coliziuni. Problema este că trec și o mulțime de alte lucruri, inclusiv radiații sub formă de raze cosmice, iar acestea sufocă semnalul provenit de la materia întunecată.

De aici experimentele subterane: rocile de deasupra blochează majoritatea radiațiilor, dar lasă să treacă materia întunecată.

Până acum, majoritatea fizicienilor sunt de acord că nu am văzut încă niciun semnal convingător de la acești detectori. O lucrare publicată în august 2015 explică faptul că detectorul XENON100 din Laboratorul Național Gran Sasso din Italia nu a reușit să găsească nimic.

Au existat câteva alarme false de-a lungul timpului. O altă echipă din același laborator, folosind un detector diferit, a susținut ani de zile că experimentul lor DAMA a detectat materie întunecată. Se pare că au găsit ceva, dar majoritatea fizicienilor spun că nu este o WIMP.

Unul dintre aceste detectoare, sau LHC, ar putea totuși să găsească materie întunecată. Dar găsirea ei într-un singur loc nu va fi suficientă.

Este un memento umilitor despre cât de departe mai avem de parcurs până când vom înțelege cu adevărat Universul nostru

„În cele din urmă va trebui să descoperim materia întunecată în mai multe moduri pentru a fi siguri că ceea ce observăm în laborator este aceeași chestie care zboară prin galaxii”, spune Fairbairn.

Deocamdată, cea mai mare parte a Universului nostru rămâne întunecată și nu este clar cât timp va rămâne așa.

Câțiva cosmologi, printre care Frenk, sunt încrezători că vom obține unele răspunsuri în următorul deceniu. Alții, precum Green, sunt mai puțin încrezători. Dacă LHC nu găsește ceva în curând, spune ea, probabil că nu căutăm ceea ce trebuie.

Au trecut peste 80 de ani de când Zwicky a sugerat pentru prima dată existența materiei întunecate. În tot acest timp, nu am reușit să punem mâna pe o mostră sau să stabilim cu exactitate ce este.

Este un memento umilitor despre cât de departe mai avem de parcurs până când vom înțelege cu adevărat Universul nostru. Am putea înțelege tot felul de lucruri, de la începutul Universului la evoluția vieții pe Pământ. Dar cea mai mare parte a Universului nostru este încă o cutie neagră, secretele sale așteptând să fie dezvăluite.

Melissa Hogenboom este redactor de reportaje la BBC Earth, ea este @melissasuzanneh pe twitter.

Să urmăriți BBC Earth pe Facebook, Twitter și Instagram.

.