À environ 10,4 milliards d'années-lumière de nous, l'amas de galaxies XLSSC 122 vient de livrer une mesure qui dérange. C'est le plus lointain amas connu qui déforme fortement la lumière des galaxies situées derrière lui. Cette déformation, une loupe naturelle, sert de balance pour peser la matière invisible. Verdict : son cœur est bien plus tassé que ne le prévoit le modèle cosmologique en vigueur. Trois études menées par l'IPAC, le centre de recherche en astrophysique du Caltech, racontent aussi la plus ancienne lumière d'étoiles errant entre les galaxies.
Un amas déjà adulte, une loupe par surprise
Commençons par le fait le plus fort. XLSSC 122 est le premier amas de galaxies aussi lointain dont on observe un lentillage gravitationnel fort, autrement dit une déviation assez puissante pour distordre nettement la lumière des objets placés derrière lui. Un décalage vers le rouge de 1,98 pour XLSSC 122, contre 1,75 pour le précédent record. Ce décalage, noté z, mesure l'étirement de la lumière par l'expansion de l'Univers : plus z est grand, plus l'objet est lointain et plus nous le voyons jeune. À 1,98, nous le voyons tel qu'il était quand l'Univers n'avait que 3,3 milliards d'années, contre 13,8 milliards aujourd'hui.
L'amas avait été repéré en 2014 par le télescope spatial à rayons X XMM-Newton de l'Agence spatiale européenne, dans un grand relevé du ciel baptisé XXL. Sa distance et son apparence déjà très organisée avaient ensuite été confirmées par Hubble. Mais Hubble ne voyait aucune trace nette de lentillage fort. C'est le télescope James-Webb qui a tout changé, en dévoilant de grands arcs de lumière incurvés autour du centre de l'amas.
« Quand nous avons reçu ces premières images de James-Webb, nous nous sommes dit, ça alors, cet amas produit un lentillage fort ! » raconte Kyle Finner, chercheur à l'IPAC et premier auteur de l'étude principale. « XLSSC 122 établit désormais le record de l'amas le plus lointain qui produit un lentillage gravitationnel. »
Pourquoi cette découverte surprend-elle ? Parce qu'à cette époque, les amas de galaxies commençaient seulement à se rassembler. En trouver un déjà massif, structuré, et qui joue en plus le rôle de loupe, bouscule l'image d'une construction lente et progressive. Sa population de galaxies confirme cette maturité précoce : sur les galaxies de l'amas repérées par spectroscopie, une très large majorité a cessé de former des étoiles, bien plus que dans le champ de galaxies ordinaires à la même époque. Les étoiles de certaines de ces galaxies étaient déjà vieilles quand l'Univers n'avait que 370 millions d'années.
La loupe naturelle qui pèse l'invisible
Le mécanisme tient en une phrase. La lumière n'a pas de masse, mais elle suit les creux creusés dans l'espace par la matière. Une masse énorme courbe cet espace, donc courbe le trajet de la lumière qui le traverse. Albert Einstein l'avait prédit en 1915, et l'observation d'une étoile déviée pendant l'éclipse solaire de 1919 l'a confirmé.
Une image aide à le voir. Prenez un verre à fond épais et regardez une bougie à travers le fond : la flamme apparaît parfois dédoublée, car le verre courbe la lumière. Un amas de galaxies fait la même chose, sauf que la lentille est faite de masse et qu'elle s'étend sur des millions d'années-lumière. Quand la courbure est assez forte, une galaxie située loin derrière apparaît plusieurs fois, et chacune de ses images s'étire en arc. C'est le lentillage fort. Quand la courbure est plus douce, les galaxies d'arrière-plan sont à peine déformées, et il faut mesurer des milliers d'entre elles pour extraire le signal : c'est le lentillage faible.
Pour mesurer la masse de XLSSC 122, l'équipe a utilisé les deux. À partir de la position des arcs, elle a reconstruit une carte de la masse, qui est en réalité une carte de la matière noire, puisque celle-ci fournit environ 85 % de la masse de l'amas.
L'équipe a ensuite résumé la forme de cette carte avec un seul nombre, la concentration. Ce nombre compare la taille du cœur très dense à l'étendue totale de l'amas. Plus il est grand, plus la matière est ramassée vers le centre, comme une pâte à pizza à peine étalée, épaisse au milieu et fine sur les bords. Pour XLSSC 122, la concentration atteint 6,3, avec une incertitude de 0,5.
Ce chiffre est élevé. Comparé à la relation de référence établie par Aaron Duffy et ses collègues à partir de simulations, il ressort 8,2 écarts-types au-dessus de la prévision. L'écart-type mesure la dispersion attendue autour d'une valeur moyenne : 8,2 de ces écarts, c'est beaucoup plus qu'une fluctuation ordinaire. La plupart des relations de concentration utilisées par les astrophysiciens ne parviennent pas à reproduire un profil de masse aussi raide.
La masse suit la même logique. Dans les 100 000 années-lumière qui entourent le centre, l'amas pèse environ 65 milliards de fois la masse du Soleil. Sa masse totale, celle d'une sphère englobant tout l'amas, atteint environ 260 milliards de masses solaires. Une seconde étude, fondée cette fois sur le lentillage faible et une couverture plus large de l'amas, a trouvé la même concentration, 6,3 avec une incertitude de 0,4, et une masse compatible. Deux méthodes distinctes, une même réponse.
Un cœur qui n'aurait pas dû être là si tôt
Reste à comprendre pourquoi ce cœur trop dense dérange. Le modèle cosmologique standard porte le nom de Lambda-CDM, pour un Univers rempli de matière noire froide et doté d'une constante cosmologique qui accélère son expansion. Il décrit une construction par étapes : les petites structures se forment d'abord, les grandes ensuite, par fusions successives. Dans ce scénario, un amas de galaxies accumule sa matière pendant des milliards d'années, et son cœur ne se densifie vraiment qu'à la fin.
L'image mentale est celle d'une ville qui grandit. Les hameaux apparaissent, se rejoignent en quartiers, et le centre d'affaires ne sature qu'une fois la ville déjà vaste. XLSSC 122 ressemble à une ville dont le centre d'affaires est plein alors que les premiers hameaux se forment à peine.
Comment un tas aussi ramassé a-t-il pu se constituer si tôt ? Les chercheurs explorent plusieurs pistes. La première : les galaxies adultes de l'amas se sont formées anormalement vite, et le halo de matière noire a suivi le même rythme. La deuxième fait appel à une physique encore hypothétique, l'énergie noire primitive, une poussée qui aurait accéléré l'expansion juste après le Big Bang et fait grossir les structures plus tôt que prévu. La troisième est plus prosaïque : un effet de projection. Si l'amas est allongé dans notre direction, il paraît plus concentré qu'il ne l'est réellement.
L'équipe a testé cette dernière piste, et l'a écartée. Le gaz brûlant de l'amas, observé dans le domaine millimétrique, présente un pic de pression décalé d'environ 100 000 années-lumière de son centre de masse. Ce décalage trahit une fusion de groupes de galaxies, un système encore en mouvement. Or un amas vu dans l'axe de projection ne produirait pas cette signature. XLSSC 122 est donc bien un objet remuant, en cours d'assemblage, et non une illusion d'optique.
L'objet est aussi rare. En confrontant la masse mesurée au nombre d'amas attendus à cette époque dans la zone du relevé XXL, les chercheurs n'en trouvent que 0,12. Autrement dit, la présence d'un tel amas relève presque du tirage de loterie. Cela ne prouve pas que le modèle se trompe, mais cela interroge sa capacité à prévoir les objets extrêmes.
La plus ancienne lumière d'étoiles orphelines
La troisième étude porte sur un signal beaucoup plus ténu. Entre les galaxies d'un amas flotte une brume très faible, faite de la lumière d'étoiles qui ne sont plus rattachées à aucune galaxie. On l'appelle la lumière intra-amas. Ces étoiles ont été arrachées lors de rencontres entre galaxies, puis abandonnées dans l'espace intergalactique.
L'analogie tient dans un paysage. Imaginez un vent très violent qui, à chaque frottement entre branches, arrache des feuilles et les laisse flotter entre les arbres. La lumière intra-amas, c'est cela : des étoiles perdues, trop dispersées pour dessiner une galaxie, mais qui forment ensemble un halo pâle.
James-Webb vient d'en détecter dans XLSSC 122. C'est la plus ancienne lumière intra-amas jamais observée. Elle s'étend sur plusieurs centaines de milliers d'années-lumière autour de la galaxie centrale et représente environ 17 % de toute la lumière de l'amas.
Ce pourcentage a une signification précise. Dans un amas au repos, la fraction de lumière intra-amas reste à peu près constante d'une couleur à l'autre. Dans un amas en pleine fusion, elle grimpe autour d'une longueur d'onde située dans le bleu-vert. XLSSC 122 présente exactement cette bosse, ce qui confirme l'activité de fusion déjà trahie par le décalage du gaz.
Le résultat le plus déroutant est ailleurs. Dans les 100 000 années-lumière du centre, la forme de cette lumière diffuse épouse presque parfaitement la carte de matière noire obtenue par lentillage. Le taux de recouvrement entre les deux motifs atteint 0,82 sur une échelle qui va de 0 à 1. Autrement dit, la lueur des étoiles errantes dessine l'ombre de la matière noire.
Si cette correspondance se retrouve dans d'autres amas, et surtout dans d'autres amas lointains, elle fournira un nouvel outil pour cartographier la matière noire sans dépendre des arcs de lentillage. Les chercheurs y voient déjà une piste pour sonder l'assemblage des amas à l'époque où ils se formaient.
Pour aller plus loin
- Suivez le télescope à l'origine des arcs : James-Webb (JWST), avec sa fiche mission complète.
- Les notions clés pour tout comprendre : la matière noire, les galaxies et les télescopes spatiaux.
- La matière noire ne se voit pas dans un oculaire, mais le ciel s'observe ce soir : notre carte du ciel interactive, notre guide d'observation et la galerie d'astrophotographies.
- Les sources officielles de cet article : le communiqué de l'IPAC au Caltech, et les trois études parues dans The Astrophysical Journal Letters, à savoir le lentillage fort de Finner et al. (2025), le lentillage faible de Scofield et al. (2026) et la détection de lumière intra-amas de Joo et al. (2026).
