UNE CROIX D’EINSTEIN EXCEPTIONNELLE RÉVÈLE UN HALO DE MATIÈRE NOIRE
Figure 1 : Agissant comme une lentille gravitationnelle, la masse du groupe de galaxies et le halo de matière noire associé dévient la lumière émise par HerS-3, qui apparaît comme une image magnifiée et déformée.
Crédit : N. Lira, P. Cox et al / NOEMA / ALMA (ESO/NAOJ/NRAO).
Une équipe internationale d’astronomes a observé une galaxie dans l’univers lointain qui est gravitationnellement amplifiée en une « croix d’Einstein » contenant une cinquième image en son centre. En utilisant des observations obtenues avec le Northern Extended Millimeter Array (NOEMA, Institut de Radioastronomie Millimétrique – IRAM, France), le Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA, Chili), le Karl G. Jansky Very Large Array (VLA, USA), et le Hubble Space Telescope (HST, NASA/ESA), les chercheurs et chercheuses ont montré que la configuration de ces cinq images ne peut s'expliquer que par la présence d'un halo massif de matière noire associé au groupe de galaxies d’avant-plan qui amplifie la lumière de la source. Cette découverte a mis en lumière un laboratoire unique pour sonder la matière noire et mieux comprendre l'évolution des galaxies dans l'Univers primordial. Ces résultats sont aujourd’hui publiés dans l'Astrophysical Journal.
Une amplification gravitationnelle se produit lorsque la lumière d'une galaxie lointaine passe par une galaxie massive (ou un groupe de galaxies), qui déforme l'espace-temps. La trajectoire de la lumière de la source d'arrière-plan est infléchie, la rendant plus brillante et produisant de multiples images, des arcs ou un anneau. L'amplification qui en résulte permet d'étudier en détail les galaxies de l'univers primordial.
Ces systèmes constituent également de puissants laboratoires astrophysiques qui permettent de contraindre les propriétés de la matière noire dans les galaxies, les groupes et les amas. Les théories actuelles suggèrent que la matière noire, qui représente environ 80 % de la masse de l'Univers, est constituée de particules encore inconnues qui n'interagissent pas avec la lumière visible. Cependant, en raison de sa masse importante, la matière noire peut être identifiée par son influence gravitationnelle.
Lorsque NOEMA a observé la galaxie HerS-3, située à 11,6 milliards d'années-lumière, cinq images distinctes sont apparues, produisant une croix presque parfaite. Chacune des images ont été détectées dans plusieurs raies d'émission moléculaire avec NOEMA, indiquant qu’elles sont à la même distance et, par conséquent, le résultat d’une amplification gravitationnelle. Cet effet de lentille saisissant, appelé croix d'Einstein, est un phénomène rare, et dans ce cas, encore plus extraordinaire en raison de la présence d'une cinquième image au centre de la croix.
Les observations réalisées avec ALMA ont permis, grâce la meilleure résolution angulaire, de révéler la morphologie détaillée de chaque image. Les données NOEMA et ALMA sont complétées par des données du VLA qui tracent les ondes radio de la galaxie. La remarquable configuration de lentille de HerS-3 est la première détection d'une croix d'Einstein aux longueurs d'onde sub-millimétriques et radio.
La lumière de HerS-3 est courbée le long de la ligne de visée par quatre galaxies massives qui sont au cœur d'un groupe plus vaste contenant au moins dix autres galaxies, situées à 7,8 milliards d'années-lumière de la Terre, et qui ont été identifiées dans le proche infrarouge avec le HST.
Figure 2 : Le panneau de gauche montre la galaxie HerS-3, amplifiée gravitationnellement dans une croix d’Einstein, avec une cinquième image centrale, telle qu’observée par NOEMA dans le continuum millimétrique (contours jaunes), superposée à l’image proche infrarouge du HST, identifiant les quatre galaxies (G1 à G4) du groupe de galaxies. L’étoile jaune indique la position du halo de matière noire (DM) associé au groupe. Le panneau de droite présente la morphologie détaillée de chacune des cinq images de la croix d’Einstein révélées par ALMA. Adapté de Cox et al. 2025 (Figures 1 et 3).
Afin de reconstituer les propriétés intrinsèques de la galaxie lointaine HerS-3 et d'explorer les caractéristiques du groupe de galaxie en avant-plan, un modèle d’amplification gravitationnelle, qui simule la façon dont la gravité courbe la lumière de galaxies, a été appliqué. En ne prenant en compte que les quatre galaxies massives visibles et situées à proximité de HerS-3 au centre du groupe de galaxies, les modèles n'ont pas pu reproduire les propriétés de chacune des cinq images de la croix d'Einstein.
L'absence d’une autre galaxie visible à la même distance dans ce champ proche autour du groupe de lentilles a ouvert la possibilité d'une autre composante massive et invisible : un halo de matière noire associée au groupe de galaxies. En ajoutant cette composante massive, située au centre de masse du groupe, le modèle reproduit avec une grande précision les propriétés de chacune des cinq images. La masse estimée du halo de matière noire s'élève à quelques mille milliards de masses solaire.
Le système de HerS-3, avec sa cinquième croix d'Einstein, est un laboratoire astrophysique unique, créé par l'Univers lui-même. Il nous permet d'observer la structure complexe d'une galaxie durant la phase la plus active de l’évolution cosmique, tout en révélant la présence de matière noire, cette masse cachée qui forme les galaxies et sculpte l'Univers. L'étude de tels systèmes pourrait nous permettre de révéler les propriétés de la matière noire et de mieux comprendre son influence au cours de l'évolution cosmique.
Cette étude est présentée dans un article intitulé « HerS-3: An Exceptional Einstein Cross Reveals a Massive Dark Matter Halo » publié dans l'Astrophysical Journal (http://doi.org/10.3847/1538-4357/adf204).
Rédaction et contact
- Pierre Cox
Institut d’astrophysique de Paris, CNRS, Sorbonne Université
pierre [dot] cox [at] iap [dot] fr
Mise en page : Jean Mouette
Septembre 2025