La matière noire n'émet ni n'absorbe de lumière, mais joue un rôle fondamental dans l'évolution des galaxies et des structures. Comme elle n'interagit que par la gravité, l'un des moyens les plus directs de l'étudier est l'effet de lentille gravitationnelle : la déviation de la lumière provenant de galaxies lointaines par une masse intermédiaire. Une équipe de chercheurs vient d’utiliser cette méthode avec des images du télescope Webb pour fournir une carte de la masse sombre la plus détaillée à ce jour. L’étude est publiée dans Nature Astronomy.
Diana Scognamiglio (California Institute of Technology) et ses collaborateurs ont travaillé sur des images couvrant une large zone de 0,77° × 0,70°, obtenues dans le cadre de l'étude COSMOS. En mesurant les formes de 129 galaxies par minute d'arc carrée, dont beaucoup indépendamment dans les bandes F115W et F150W de Webb, les chercheurs atteignent une résolution angulaire de 1.00 +-0.01 minute d’arc.
Le lentillage gravitationnel affecte la trajectoire de la lumière provenant de galaxies lointaines lorsqu'elle traverse le potentiel gravitationnel de toute masse située dans la ligne de visée, y compris la matière baryonique ordinaire (étoiles, gaz et poussière) et la matière noire. Dans le régime des lentilles gravitationnelles faibles qui a été étudié ici, cette déviation induit une distorsion de cisaillement de seulement quelques pour cent dans les formes apparentes des galaxies d'arrière-plan. Cette distorsion est environ dix fois plus faible que l'ellipticité intrinsèque typique des galaxies, qui est façonnée par des caractéristiques telles que les bras spiraux ou les barres.
La résolution d'une carte de lentille gravitationnelle faible correspond donc à la surface nécessaire pour englober environ 100 galaxies d'arrière-plan résolues, de sorte que le signal de cisaillement dépasse le bruit de forme. Ce nombre reflète un compromis entre la résolution spatiale et l'incertitude statistique. La sensibilité d'une carte de lentille gravitationnelle faible dépend également de la géométrie. À l'instar d'une loupe qui fonctionne mieux lorsqu'elle est placée à mi-chemin entre l'œil et l'objet, le lentille gravitationnelle est plus sensible à la masse située à mi-chemin entre l'observateur et les galaxies sources. Ce comportement est décrit par la fonction d'efficacité de lentille g(z), qui atteint son maximum à des redshifts (distances) inférieurs à la distance des objets typiques en arrière-plan, décrite par la distribution de redshift des sources n(z). La fonction d'efficacité de lentille pour le télescope Webb atteint son maximum à z = 0,38, alors qu’elle est à z = 0,34 pour le télescope Hubble et à z=0,30 pour la caméra Hyper-Suprime (HSC) du télescope Subaru.
Contrairement à la plupart des observables, pour une échelle angulaire fixe dans le ciel, la lentille gravitationnelle faible est insensible à la masse dans l'Univers très proche, car l'efficacité de la lentille tombe à zéro lorsque la lentille se rapproche de l'observateur. Les cartes de lentille gravitationnelle faible précédentes étaient limitées en termes de sensibilité, de résolution et de superficie. Depuis le sol, même les meilleurs télescopes, tels que ceux utilisés dans les relevés HSC, Kilo Degree Survey et Dark Energy Survey, doivent composer avec les effets de flou de l'atmosphère terrestre et ne permettent généralement de distinguer que 7 à 19 galaxies par minute d'arc carrée.
Ces relevés couvrent une grande partie du ciel, mais sont limités par une résolution angulaire grossière et sont principalement sensibles aux structures à faible redshift. Par conséquent, seules les structures les plus massives et les plus étendues, telles que les superamas rares dont la masse peut atteindre 1015 masses solaires (M⊙), apparaissent de manière proéminente sur les cartes de lentille gravitationnelle terrestres. Le télescope Hubble résout les formes d'environ 71 galaxies par minute d'arc carrée, ce qui permet d'obtenir des cartes avec une résolution suffisante d'environ 2,4 minutes d'arc pour commencer à révéler les amas et les caractéristiques filamentaires du réseau cosmique.
L'imagerie haute résolution et profonde du télescope Webb change la donne. Elle permet aujourd’hui de mesurer les effets de lentille gravitationnelle faibles d'un nombre beaucoup plus important de galaxies, et à des redshifts plus élevés qu'auparavant. Cette amélioration se reflète dans la sensibilité relative à l'effet de lentille gravitationnelle, où le JWST surpasse à la fois le HSC et le HST, en particulier à des redshifts élevés.
Pour l'échantillon de galaxies dont la forme a été mesurée, on a un redshift médian zmed ≈ 1,15. À partir de cet ensemble de données, les chercheurs ont construit une carte détaillée de la masse dans la structure à grande échelle. Les régions plus lumineuses indiquent des lignes de visée avec une convergence de lentille plus élevée, qui est proportionnelle à la densité de matière sombre et lumineuse, multipliée par la fonction de sensibilité g(z) et projetée sur le ciel.
Les astrophysiciens utilisent une technique de filtrage multi-échelle qui identifie les structures à différentes échelles, définies comme des échelles spatiales en unités angulaires, correspondant à des tailles physiques dans le ciel. Cette technique leur permet d'identifier simultanément à la fois les petites caractéristiques, telles que les halos autour des groupes de galaxies de faible masse (~1013−1014 M⊙) ou de grand redshift (z ≈ 1,1), ainsi que les structures filamentaires censées les relier.
La carte de convergence des lentilles gravitationnelles dérivée des données révèle la distribution projetée de la matière totale, sombre et baryonique. 15 amas de galaxies connus précédemment détectés avec XMM-Newton et Chandra grâce à leur émission de rayons X sont tous récupérés avec un rapport signal/bruit de détection supérieur à 3. Cela constitue une amélioration substantielle par rapport aux reconstructions antérieures basées sur les données de Hubble, qui n'avaient détecté que 8 de ces amas.
Au-delà des pics isolés, la carte de convergence basée sur les données de Webb révèle un réseau de caractéristiques étendues et de faible amplitude, qui relient les surdensités à l'échelle des amas. Ces structures retracent probablement les filaments de matière noire du réseau cosmique, trop diffus pour émettre un rayonnement X significatif ou héberger de grandes surdensités de galaxies. Leur détection est conforme aux prédictions de l'effondrement gravitationnel dans le modèle ΛCDM et reflète la sensibilité accrue de Webb aux composants diffus du champ de matière qui n'étaient pas résolus auparavant par Hubble. La comparaison avec les cartes de signification des surdensités de rayons X et de galaxies illustre le couplage entre la matière noire, le gaz chaud et les galaxies lumineuses.
Si certains pics de lentille gravitationnelle faible coïncident avec des régions à forte intensité de rayons X et à surdensité galactique significative, Scognamiglio et ses collaborateurs identifient également des pics de masse sans contrepartie claire dans l'émission de rayons X projetée ou la distribution galactique, par exemple aux coordonnées (AD, déc) (150,21°, 2,06°) et (150,32°, 2,28°). Ces caractéristiques peuvent provenir de structures sous-lumineuses ou dominées par la matière noire, d'effets de projection provenant de multiples systèmes alignés le long de la ligne de visée, ou bien de concentrations de masse à des redshifts qui ne sont pas capturés de manière optimale par la pondération de la densité galactique.
À l'avenir, la sensibilité accrue de Webb pour des redshifts 1 ≲ z ≲ 2 permettra des reconstructions tomographiques des environnements de matière noire des galaxies pendant le midi cosmique, l'époque où la formation stellaire atteint son apogée. De telles mesures, qui n'ont pas été tentées dans le cadre de cette étude, permettraient d'établir un lien direct entre la structure à grande échelle et l'évolution des galaxies, y compris les effets de la rétroaction des noyaux galactiques actifs, du refroidissement du gaz et de l'assemblage de la matière noire.
Source
An ultra-high-resolution map of (dark) matter
Diana Scognamiglio et al.
Nature Astroinomy (26 january 2026)
https://doi.org/10.1038/
Illustrations
1. Cartographie de la matière noire dans la zone étudiée (Scognamiglio et al.)
2. Cartographie de la matière noire dans la zone étudiée, en contours de densité (Scognamiglio et al.)
3. Diana Scognamiglio
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