Researchers have mapped dark matter in several colliding galaxy clusters more than a billion light-years away. And one outcome of the research is that dark matter might not actually be composed of particles, as previously thought. Instead, a number of theories ranging from it being a fluid, to not existing at all, have been presented by researchers - who also say it is likely 'weirder than we first thought.' Researchers in Switzerland and the UK mapped dark matter in clusters (shown in blue), and discovered that dark matter might be 'weirder than we thought'. Clockwise from top left, the galaxy clusters are: MACS J0416.1+2403, MACS J0152.5+2852, MACS J0717.5+3745, ZwCl 1358+62, Abell 2744 and Abell 370 . The research was carried out by scientists from the École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in Switzerland, the University of Edinburgh and Durham University. They used data from the Hubble Space Telescope and the Chandra X-ray Observatory to measure galaxy clusters - collections of hundreds of galaxies. Surprisingly, the study discovered that dark matter ‘particles’ may simply pass through each other when galaxy clusters collide. ‘This work looks at the way dark matter interacts with itself when massive clouds of it are smashed together with other massive clouds,’ lead author Dr David Harvey from EFPL told MailOnline. When physicists study the dynamics of galaxies and the movement of stars, they are confronted with a mystery. If they only take visible matter into account, their equations simply don't add up; the elements that can be observed are not sufficient to explain the rotation of objects and the existing gravitational forces. There is something missing. From this they deduced that there must be an invisible kind of matter that does not interact with light but does, as a whole, interact by means of the gravitational force. Called 'dark matter', this substance appears to make up at least 80 per cent of the matter in the known universe. ‘We find that when this happens, the dark matter does not get affected at all and it carries on unimpeded.’ This implies that dark matter particles do not interact with themselves, which would have caused dark matter to slow down. Instead, it appears that while dark matter could interact ‘non-gravitationally’ with visible matter, this is not the case when it interacts with itself. More importantly, the study challenges the view that dark matter consists of proton-like particles - or perhaps any particles whatsoever. ‘The implications for dark matter are that it rules out some models of particle dark matter, for example it challenges the idea that dark matter is made of an equivalent 'dark proton' that is exchanging 'dark photons’,’ said Dr Harvey. ‘To say we can conclude that dark matter is not a particle is too far, but we are challenging many models of dark matter, and it remains to be seen whether dark matter is a particle as many lines of research are yet to prove this.’ Using the Hubble Space Telescope (shown from Space Shuttle Atlantis in 2009), the team observed distant galaxies that were more than a billion light-years away. They were able to work out the pattern of distortion caused by dark matter, and make maps of where it should be . Harvey's data came from the Chandra X-ray Space Observatory and the Hubble telescope, and included the famous Bullet Cluster collision (shown), a collision of two galaxy clusters whose gas has been molded into the shape of a bullet. This particular collision is the best current evidence for the existence of dark matter . Dr Richard Massey, one of the authors on the study, told MailOnline that it was most likely a different type of particle to what scientists had been looking for so far. ‘But there are those very weird theories that also might be able to replace this,’ he said. One theory is that perhaps the theory of gravity, first proposed by Einstein, is wrong - and dark matter doesn’t actually exist at all. All of our evidence for dark matter so far comes from its supposed gravitational effect on galaxies - but if our models of gravity are wrong, then this could be false evidence. ‘Alternatively, dark matter could be some kind of fluid, rather than a particle with a property in space,’ Dr Massey said. Another theory is that dark matter is made out of ‘glue balls’, which are a conglomeration of smaller particles ‘glued’ together in an ensemble. The researchers created the maps by studying the effects dark matter had on extremely distant galaxies. While dark matter can’t be seen directly, it’s presence can be predicted based on these interactions. ‘We can’t observe wind, but you know it’s there because leaves are floating around,’ said co-author Dr Richard Massey from Durham University's Institute for Computational Cosmology. ‘Dark matter is similar, we can’t see it, but it pulls things around a bit.’ Using the Hubble Space Telescope, the team observed distant galaxies that were more than a billion light-years away. They were able to work out the pattern of distortion caused by dark matter, and make maps of where it should be. But the fascinating conclusion was that dark matter does not interact with itself - or, perhaps, even other matter - in ways we would think. ‘If you hit your head against a wall of dark matter, your head would go straight through,’ explained Dr Massey. ‘This makes it very difficult stuff to work with.’ ‘Dark matter is all around our own galaxy, all around Earth, and is passing through us right now, but it doesn’t have an effect on us.’ He added that it was ‘embarrassing’ that we knew so little about dark matter, despite seeming to be a ‘parallel universe’ that was far more important than our own. And from their study, the researchers conclude that dark matter is even ‘weirder than we first thought.’ The scientists also used data from the Chandra X-ray Observatory (illustration shown) to measure dark matter in the distant galaxies. But it is very difficult to find. ‘If you hit your head against a wall of dark matter, your head would go straight through,’ explained co-author Dr Massey . The fascinating conclusion was that dark matter does not interact with itself - or, perhaps, even other matter - in ways we would think possible. Shown is the galaxy cluster MACS J0416.1+2403 and its dark matter distribution, shown in blue, based on its gravitational interactions . Although it accounts for 90 per cent of all matter in the universe and more than a quarter of its energy, scientists still know very little about dark matter. After a two-year shutdown and upgrade, the multi-billion dollar Large Hadron Collider (LHC) is about to ramp up for its second three-year run. Scientists are promising nearly twice the energy and far more violent particle crashes this time around - and hope to get a glimpse of dark matter. The team at the European Organisation for Nuclear Research, or Cern, say if nature cooperates, the more powerful beam crashes will give them a peek into the unseen dark universe. Beams should start running through the giant machine later this month, with the first high energy crashes probably coming in May, accelerator director Frederick Bordry said in a news conference in Geneva. Scientists hope to see all sorts of new physics, including a first ever glimpse of dark matter, one of the chief focuses of the experiment. 'I want to see the first light in the dark universe,' said Cern General Director Rolf Heuer. 'If I see that, then nature is kind to me.' One major idea among astronomers is that dark matter consists of a new subatomic particle that we haven't discovered yet. More exotic theories want dark matter to be a quantum defect from the birth of the universe, extra-dimensional mass, or even a modified form of gravity. What we do know is that dark matter interacts with cosmic structures through gravity, shaping and molding them. For example, dark matter bends light that passes through it, distorting images of distant space objects. In addition, dark matter speeds up the motion of galaxies inside galaxy clusters, which are collections of hundreds of galaxies, containing literally astronomical amounts of stars, planets, and gases. Galaxy clusters are also 90 per cent dark matter, which makes them ideal for studying it, especially when they collide into each other and force their respective dark matters to interact. Based on this knowledge, Dr Harvey and his colleagues studied data from 72 galaxy cluster collisions. These cosmic crashes happen over the course of billions of years when galaxy clusters attract each other because of their gargantuan masses. When this happens, the dark matter in each galaxy cluster interacts with that of the other, offering a unique opportunity to study it. The team's data came from the Chandra X-ray Space Observatory and the Hubble telescope, and included the famous Bullet Cluster collision, a collision of two galaxy clusters whose gas has been molded into the shape of a bullet. And so far, this particular collision is the best evidence for the existence of dark matter, based on its interaction with the clusters. In the coming years, scientists will be hoping to directly observe dark matter particles in a number of detectors - including the LHC at Cern. What form it will take, though, or whether it is really there, remains to be seen.
Researchers in Switzerland and the UK mapped dark matter in clusters .
They discovered that dark matter 'particles' pass through themselves .
This suggests dark matter may not actually be composed of particles .
It could instead be like a 'fluid', or something else entirely .
'We are challenging many models of dark matter,' lead author Dr Harvey told MailOnline .
חוקרים מיפו חומר אפל במספר צבירי גלקסיות מתנגשים במרחק של יותר ממיליארד שנות אור. ואחת התוצאות של המחקר היא שחומר אפל עשוי שלא להיות מורכב מחלקיקים, כפי שחשבו בעבר. במקום זאת, הוצגו מספר תיאוריות, החל מהיותו נוזל ועד לא קיים כלל, על ידי חוקרים - שגם אומרים שזה כנראה 'מוזר יותר ממה שחשבנו תחילה'. חוקרים בשוויץ ובבריטניה מיפו חומר אפל בצבירים (מוצגים בכחול), וגילו שחומר אפל עשוי להיות 'מוזר יותר ממה שחשבנו'. עם כיוון השעון משמאל למעלה, צבירי הגלקסיות הם: MACS J0416.1+2403, MACS J0152.5+2852, MACS J0717.5+3745, ZwCl 1358+62, Abell 2744 ו-Abell 370. המחקר בוצע על ידי מדענים מהאקול פוליטכניק פדרלה דה לוזאן (EPFL) בשוויץ, אוניברסיטת אדינבורו ואוניברסיטת דורהאם. הם השתמשו בנתונים מטלסקופ החלל האבל וממצפה רנטגן צ'אנדרה כדי למדוד צבירי גלקסיות - אוספים של מאות גלקסיות. באופן מפתיע, המחקר גילה ש"חלקיקי חומר אפל" עשויים פשוט לעבור זה דרך זה כאשר צבירי גלקסיות מתנגשים. "עבודה זו בוחנת את האופן שבו החומר האפל מקיים אינטראקציה עם עצמו כאשר עננים מאסיביים שלו מנופצים יחד עם עננים מסיביים אחרים", אמר המחבר הראשי ד"ר דיוויד הארווי מ-EFPL ל-MailOnline. כשפיזיקאים חוקרים את הדינמיקה של גלקסיות ותנועת כוכבים, הם מתמודדים עם תעלומה. אם הם לוקחים בחשבון רק חומר גלוי, המשוואות שלהם פשוט לא מסתדרות; היסודות שניתן לצפות בהם אינם מספיקים כדי להסביר את סיבוב העצמים ואת כוחות הכבידה הקיימים. יש משהו שחסר. מכאן הם הסיקו שחייב להיות סוג בלתי נראה של חומר שאינו יוצר אינטראקציה עם האור, אלא מקיים אינטראקציה, כמכלול, באמצעות כוח הכבידה. המכונה 'חומר אפל', נראה שהחומר הזה מהווה לפחות 80 אחוז מהחומר ביקום הידוע. "אנו מגלים שכשזה קורה, החומר האפל אינו מושפע כלל והוא ממשיך ללא הפרעה." הדבר מרמז שחלקיקי החומר האפל אינם מקיימים אינטראקציה עם עצמם, מה שהיה גורם לחומר האפל להאט. במקום זאת, נראה שבעוד שחומר אפל יכול לקיים אינטראקציה 'לא-גרביטציונית' עם חומר גלוי, זה לא המקרה כאשר הוא מקיים אינטראקציה עם עצמו. חשוב מכך, המחקר מאתגר את ההשקפה שחומר אפל מורכב מחלקיקים דמויי פרוטון - או אולי חלקיקים כלשהם. "ההשלכות על החומר האפל הן שהוא שולל מודלים מסוימים של חומר אפל חלקיקי, למשל זה מאתגר את הרעיון שחומר אפל עשוי מ'פרוטון אפל' שווה ערך שמחליף 'פוטונים אפלים'", אמר ד"ר הארווי. "להגיד שאנחנו יכולים להסיק שחומר אפל אינו חלקיק זה רחוק מדי, אבל אנחנו מאתגרים מודלים רבים של חומר אפל, ונשאר לראות אם החומר האפל הוא חלקיק, שכן קווי מחקר רבים עדיין לא הוכיחו זאת. באמצעות טלסקופ החלל האבל (שהוצג ממעבורת החלל אטלנטיס ב-2009), הצוות צפה בגלקסיות רחוקות שהיו במרחק של יותר ממיליארד שנות אור. הם הצליחו לחשב את דפוס העיוות שנגרם על ידי חומר אפל, וליצור מפות של היכן הוא צריך להיות. הנתונים של הארווי הגיעו ממצפה החלל צ'נדרה רנטגן ומטלסקופ האבל, וכללו את התנגשות צביר הכדורים המפורסמת (מוצג), התנגשות של שני צבירי גלקסיות שהגז שלהם עוצב לצורת כדור. ההתנגשות המסוימת הזו היא העדות העדכנית הטובה ביותר לקיומו של חומר אפל. ד"ר ריצ'רד מאסי, אחד המחברים במחקר, אמר ל-MailOnline שככל הנראה מדובר בסוג אחר של חלקיקים ממה שמדענים חיפשו עד כה. "אבל יש תיאוריות מאוד מוזרות שאולי גם יוכלו להחליף את זה", אמר. תיאוריה אחת היא שאולי תורת הכבידה, שהוצעה לראשונה על ידי איינשטיין, שגויה - וחומר אפל למעשה אינו קיים כלל. כל העדויות שלנו לחומר אפל עד כה מגיעות מהשפעת הכבידה כביכול שלו על גלקסיות - אבל אם מודל הכבידה שלנו שגוי, אז זה יכול להיות עדות כוזבת. "לחלופין, חומר אפל יכול להיות סוג של נוזל, ולא חלקיק עם תכונה בחלל", אמר ד"ר מאסי. תיאוריה נוספת היא שחומר אפל עשוי מ'כדורי דבק', שהם קונצרן של חלקיקים קטנים יותר 'מודבקים' יחדיו בהרכב. החוקרים יצרו את המפות על ידי חקר ההשפעות של החומר האפל על גלקסיות רחוקות ביותר. בעוד שחומר אפל לא ניתן לראות ישירות, ניתן לחזות את נוכחותו על סמך אינטראקציות אלו. "אנחנו לא יכולים לצפות ברוח, אבל אתה יודע שהיא שם כי עלים מרחפים מסביב", אמר המחבר ד"ר ריצ'רד מאסי מהמכון לקוסמולוגיה חישובית של אוניברסיטת דורהאם. 'חומר אפל דומה, אנחנו לא יכולים לראות אותו, אבל הוא מושך את הדברים קצת.' באמצעות טלסקופ החלל האבל, הצוות צפה בגלקסיות רחוקות שהיו במרחק של יותר ממיליארד שנות אור. הם הצליחו לחשב את דפוס העיוות שנגרם על ידי החומר האפל, וליצור מפות של היכן הוא צריך להיות. אבל המסקנה המרתקת הייתה שחומר אפל אינו מקיים אינטראקציה עם עצמו - או, אולי, אפילו עם חומר אחר - בדרכים שהיינו חושבים. "אם היית מכה את ראשך בקיר של חומר אפל, הראש שלך היה עובר ישר", הסביר ד"ר מאסי. "זה עושה את זה מאוד קשה לעבוד איתם." "חומר אפל נמצא סביב הגלקסיה שלנו, מסביב לכדור הארץ, ועובר דרכנו כרגע, אבל זה לא משפיע עלינו." הוא הוסיף כי זה היה 'מביך' שידענו כל כך מעט על חומר אפל, למרות שנראה שהוא 'יקום מקביל' שהיה הרבה יותר חשוב משלנו. ומהמחקר שלהם, החוקרים מסיקים שחומר אפל הוא אפילו 'מוזר ממה שחשבנו תחילה'. המדענים השתמשו גם בנתונים ממצפה הרנטגן של צ'נדרה (איור מוצג) כדי למדוד חומר אפל בגלקסיות הרחוקות. אבל קשה מאוד למצוא. "אם היית מכה את ראשך בקיר של חומר אפל, הראש שלך היה עובר ישר", הסביר מחבר שותף ד"ר מאסי. המסקנה המרתקת הייתה שחומר אפל אינו מקיים אינטראקציה עם עצמו - או, אולי, אפילו עם חומר אחר - בדרכים שהיינו חושבים שאפשריים. מוצג צביר הגלקסיות MACS J0416.1+2403 והתפלגות החומר האפל שלו, מוצגים בכחול, בהתבסס על אינטראקציות הכבידה שלו. למרות שהוא מהווה 90 אחוז מכל החומר ביקום ויותר מרבע מהאנרגיה שלו, מדענים עדיין יודעים מעט מאוד על החומר האפל. לאחר השבתה ושדרוג של שנתיים, מאיץ ההדרון הגדול (LHC) בהיקף של מיליארדי דולרים עומד להגביר את הריצה השנייה שלו בת שלוש שנים. מדענים מבטיחים הפעם כמעט פי שניים את האנרגיה והתרסקות חלקיקים אלימים הרבה יותר - ומקווים לקבל הצצה לחומר אפל. הצוות בארגון האירופי למחקר גרעיני, או Cern, אומר שאם הטבע ישתף פעולה, התרסקות האלומה החזקות יותר יעניקו להם הצצה אל היקום האפל הבלתי נראה. קורות צריכות להתחיל לרוץ דרך המכונה הענקית מאוחר יותר החודש, כאשר התרסקות האנרגיה הגבוהות הראשונות יגיעו כנראה במאי, אמר מנהל האקסלרטור פרדריק בודרי במסיבת עיתונאים בז'נבה. מדענים מקווים לראות כל מיני פיזיקה חדשה, כולל הצצה ראשונה אי פעם לחומר אפל, אחד המוקדים העיקריים של הניסוי. "אני רוצה לראות את האור הראשון ביקום האפל," אמר מנכ"ל Cern Rolf Heuer. 'אם אני רואה את זה, אז הטבע טוב אליי'. רעיון מרכזי אחד בקרב אסטרונומים הוא שחומר אפל מורכב מחלקיק תת-אטומי חדש שעדיין לא גילינו. תיאוריות אקזוטיות יותר רוצות שחומר אפל יהיה פגם קוונטי מלידתו של היקום, מסה חוץ-ממדית, או אפילו צורת כבידה שונה. מה שאנחנו כן יודעים הוא שחומר אפל מקיים אינטראקציה עם מבנים קוסמיים באמצעות כוח הכבידה, עיצוב ועיצובם. לדוגמה, חומר אפל מכופף אור שעובר דרכו, ומעוות תמונות של עצמים מרוחקים בחלל. בנוסף, החומר האפל מאיץ את תנועתן של גלקסיות בתוך צבירי גלקסיות, שהם אוספים של מאות גלקסיות, המכילות כמויות אסטרונומיות ממש של כוכבים, כוכבי לכת וגזים. צבירי גלקסיות הם גם 90 אחוז חומר אפל, מה שהופך אותם לאידיאליים לחקר אותו, במיוחד כאשר הם מתנגשים זה בזה ומאלצים את החומר האפל שלהם לקיים אינטראקציה. בהתבסס על ידע זה, ד"ר הארווי ועמיתיו חקרו נתונים מ-72 התנגשויות של צבירי גלקסיות. התרסקות קוסמיות אלו מתרחשות במהלך מיליארדי שנים כאשר צבירי גלקסיות מושכים זה את זה בגלל המסות העצומות שלהם. כאשר זה קורה, החומר האפל בכל צביר גלקסיות מקיים אינטראקציה עם זה של האחר, ומציע הזדמנות ייחודית לחקור אותו. הנתונים של הצוות הגיעו ממצפה החלל צ'נדרה רנטגן ומטלסקופ האבל, וכללו את התנגשות צביר הכדורים המפורסמת, התנגשות של שני צבירי גלקסיות שהגז שלהם עוצב לצורת כדור. ועד כה, ההתנגשות המסוימת הזו היא העדות הטובה ביותר לקיומו של חומר אפל, בהתבסס על האינטראקציה שלו עם הצבירים. בשנים הקרובות, מדענים מקווים לצפות ישירות בחלקיקי חומר אפל במספר גלאים - כולל ה-LHC ב-Cern. עם זאת, איזו צורה היא תקבל, או אם היא באמת קיימת, נותר לראות.
חוקרים בשוויץ ובבריטניה מיפו חומר אפל באשכולות.
הם גילו ש'חלקיקי' חומר אפל עוברים דרך עצמם.
זה מצביע על כך שחומר אפל אינו מורכב למעשה מחלקיקים.
במקום זאת זה יכול להיות כמו 'נוזל', או משהו אחר לגמרי.
"אנחנו מאתגרים מודלים רבים של חומר אפל", אמר הסופר הראשי ד"ר הארווי ל-MailOnline.