Le télescope spatial James Webb a mis au jour une structure que les astronomes ne pensaient pas rencontrer aussi tôt dans l’histoire de l’univers. Il s’agit de XLSSC 122, un amas de galaxies situé à environ 10,4 milliards d’années-lumière, déjà constitué et organisé à une époque où des structures de cette taille commençaient tout juste à se former. Les nouvelles observations, présentées par le centre IPAC de Caltech, révèlent une concentration de masse bien plus élevée que ce que prévoient les modèles cosmologiques dans sa région centrale, ce qui amène à réexaminer la vitesse à laquelle les grandes structures du cosmos se seraient développées.
Un amas déjà mûr au « midi cosmique »
XLSSC 122 remonte à ce que les astronomes appellent le cosmic noon, le « midi cosmique », il y a environ dix milliards d’années. Durant cette période, les galaxies fabriquaient des étoiles à un rythme jusqu’à cent fois supérieur à celui d’aujourd’hui, et les amas se construisaient par fusions successives, à mesure que des systèmes plus petits se rassemblaient en structures plus vastes. L’amas affiche pourtant déjà la taille et l’organisation que l’on associe d’ordinaire aux amas de l’univers récent. « XLSSC 122 est l’un des premiers amas que nous connaissons à s’être formé dans l’univers, et sa concentration de masse ne cadre pas avec les prédictions de notre modèle cosmologique », explique Kyle Finner, chercheur à l’IPAC et premier auteur de la première des trois études consacrées à l’objet.
L’amas avait été repéré en 2014 grâce à un relevé en rayons X mené par le satellite XMM-Newton de l’Agence spatiale européenne. Les observations ultérieures du télescope spatial Hubble avaient fixé sa distance autour de 10,4 milliards d’années-lumière et confirmé son aspect étonnamment développé pour son âge. Hubble n’avait toutefois pas décelé de signe clair du phénomène que le Webb a ensuite révélé avec netteté.
La lentille gravitationnelle qui pèse l’invisible
XLSSC 122 se trouve presque parfaitement aligné devant une ou plusieurs galaxies encore plus lointaines. Sa gravité courbe et déforme la lumière venue de ces galaxies d’arrière-plan et produit des arcs lumineux incurvés autour du centre de l’amas, un effet nommé lentille gravitationnelle forte. Ce sont justement ces arcs, captés par le Webb, qui font de XLSSC 122 l’amas de galaxies le plus lointain où une lentille gravitationnelle forte ait jamais été observée. « Quand les premières images du JWST nous sont revenues, nous avons dit : regardez ça, il y a une lentille forte qui vient de cet amas », raconte Finner, qui rappelle que c’est un outil précieux pour mesurer la masse même lorsqu’elle n’émet aucune lumière.
La déformation de la lumière tient en grande partie à quelque chose que les télescopes ne peuvent pas observer directement : la matière noire. Les étoiles et le gaz chaud de l’amas n’expliquent qu’une petite part de l’effet. Le reste provient de cette composante invisible, estimée environ cinq fois plus abondante que la matière ordinaire, celle-là même qui maintient les galaxies ensemble et dessine le vaste réseau de groupes, d’amas et de filaments du cosmos. « La lentille forte est une façon de mesurer la matière noire sans la voir vraiment », observe Finner. « Elle nous donne une sonde sensible de nos modèles cosmologiques. »
Lentille faible et fusion en cours
Dans la deuxième des trois études, les chercheurs ont analysé XLSSC 122 avec une autre forme du même phénomène, la lentille gravitationnelle faible. Alors que la lentille forte produit des arcs visibles et mesure surtout la masse concentrée près du centre, la lentille faible provoque des distorsions minimes dans la forme des galaxies d’arrière-plan et ne se détecte que par des méthodes statistiques, mais elle permet de reconstituer la répartition de la masse dans les régions extérieures. En combinant ces mesures avec des observations en rayons X et en ondes radio obtenues par d’autres télescopes, l’équipe a établi que l’amas est encore en pleine fusion : ses galaxies continuent de se rapprocher tandis que la structure prend forme. L’analyse élargie a également confirmé la donnée la plus déroutante, à savoir la quantité inhabituellement grande de masse rassemblée près du centre.
Quand la lumière diffuse trace la matière noire
Le troisième et plus récent travail a mis en évidence une lueur ténue produite par des étoiles qui n’appartiennent plus à aucune galaxie, la lumière intra-amas. Ce sont des astres arrachés aux galaxies lors des interactions puis dispersés dans les espaces vides entre les systèmes. L’observation du Webb constitue la détection la plus ancienne jamais obtenue de cette lumière diffuse et offre un nouveau moyen d’étudier la croissance des amas dans l’univers lointain. Près du centre, la forme de la lumière intra-amas épouse de près la distribution de matière noire déduite de la lentille forte. En pratique, la faible lueur des étoiles vagabondes pourrait devenir un indicateur visible de l’endroit où se concentre la matière invisible. « Dans cet amas, la lumière intra-amas trace de fait la matière noire », résume Finner. « Cette lumière nous dit que l’amas est en état de fusion. »
Un test pour la cosmologie, en attendant d’autres cas
Si d’autres amas anciens montraient la même matière noire aussi concentrée et le même développement précoce, les scientifiques pourraient devoir revoir certaines hypothèses de base sur la vitesse de formation des grandes structures. Pour l’instant, XLSSC 122 reste un cas isolé, important précisément parce qu’il met à l’épreuve les modèles existants. La prochaine étape de Finner et de ses collaborateurs consiste à repérer des dizaines d’amas d’époques tout aussi reculées, à l’aide de relevés en rayons X et en ondes radio et de techniques comme l’effet Sunyaev-Zel’dovich, qui signale la présence des amas par leurs empreintes dans le fond diffus cosmologique. « Nous n’en sommes qu’au début de l’ère JWST », conclut le chercheur, « et si nous parvenons à réunir des données sur des dizaines ou des centaines d’objets de ce type, nous pourrons vraiment commencer à mettre nos modèles cosmologiques à l’épreuve. »
Les trois études ont été publiées dans The Astrophysical Journal Letters. Les détails techniques figurent dans le communiqué de Caltech/IPAC, tandis que les images et les missions du télescope sont présentées sur les pages officielles de NASA Webb et de l’ESA Webb.
Pour approfondir les autres observations spatiales récentes, lisez notre article sur le télescope spatial Roman et la première lumière du coronographe, ainsi que celui consacré à la sonde européenne Hera en route vers l’astéroïde frappé par DART.
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