JWST repère un amas de galaxies ancien au midi cosmique qui défie la cosmologie
Image à la une : Image NIRCam du JWST de XLSSC 122 montrant des arcs gravitationnellement lensés autour de la galaxie la plus brillante de l’amas. [Crédit : Finner et al. / NASA / ESA / CSA]
Le télescope spatial James Webb a observé l’un des plus anciens amas de galaxies connus de l’univers, à une époque où le cosmos commençait tout juste son âge mûr, et ce qu’il a découvert pousse les astronomes à repenser la formation des structures dans l’univers. Désigné XLSSC 122, l’amas se trouve à un redshift de 1,98, ce qui signifie que sa lumière a voyagé environ 10,4 milliards d’années pour atteindre la Terre. L’univers n’avait que 3,4 milliards d’années lorsque la lumière que nous voyons aujourd’hui a quitté cette assemblage gargantuesque de galaxies.
Les résultats, publiés dans trois articles complémentaires dans The Astrophysical Journal Letters et présentés à la 248e réunion de l’American Astronomical Society le 17 juin, révèlent un amas bien plus mature et concentré que ne le prédisent les modèles cosmologiques standard. La concentration de matière noire centrale mesurée à l’intérieur de 100 kiloparsecs, déterminée par lentille gravitationnelle forte des galaxies d’arrière-plan, est si élevée qu’elle s’écarte de presque toutes les relations masse-concentration majeures avec une signification de 3 à 8 écarts-types.
« Nous avons été stupéfaits lorsque nous avons vu ces premières images », a déclaré Kyle Finner de l’IPAC/Caltech, auteur principal de l’article sur la lentille forte. « Nous nous sommes dit : ‘wow, regardez ça, il y a une lentille forte provenant de cet amas !’ et il est rapidement devenu clair que nous regardions quelque chose que les modèles n’expliquent pas facilement. »
Une structure mature dans un univers jeune
XLSSC 122 a été découvert pour la première fois en 2014 par l’observatoire à rayons X XMM-Newton de l’ESA dans le cadre du relevé XMM-Newton Large-Scale Structure Survey. Mais c’est la sensibilité infrarouge et la haute résolution du JWST qui ont révélé sa véritable nature. Le 10 août 2024, l’instrument NIRCam du JWST a observé l’amas à travers quatre filtres atteignant une profondeur de 5 sigma de magnitude AB 29-30, pénétrant la poussière cosmique pour résoudre la structure complexe de l’amas.
Ce qui est apparu est l’amas de galaxies le plus distant connu présentant une lentille gravitationnelle forte, quatre systèmes d’arcs géants enroulés autour de la galaxie la plus brillante de l’amas, battant le record précédent détenu par IDCS J1426.5+3508 à un redshift de 1,75.
« Nous savions déjà que XLSSC 122 existait grâce aux données X, mais nous ne savions pas qu’il était aussi massif et aussi concentré », a déclaré Finner. « JWST a ouvert une nouvelle fenêtre. Avant Webb, nous ne pouvions pas faire ce niveau de science dans l’univers primitif et lointain. »
Le paramètre de concentration NFW du halo de matière noire de l’amas a été mesuré à c = 6,3 ± 0,5 dans les 100 kiloparsecs intérieurs. Comparé à cinq relations masse-concentration standard, une seule, Prada et al. 2012, prédit une valeur plus élevée. Les autres sous-estiment la concentration de 2,8 à 8,2 écarts-types.
La connexion matière noire
La lentille gravitationnelle forte est l’un des outils les plus puissants pour mesurer la matière noire, car la déformation de la lumière des galaxies d’arrière-plan trace la distribution de masse totale, y compris la composante invisible de matière noire.
« La lentille forte est un moyen de mesurer la matière noire sans voir réellement la matière noire », a expliqué Finner. « Cela nous donne une sonde sensible de nos modèles cosmologiques. »
Les observations du JWST ont sondé l’amas à travers trois méthodes indépendantes : la lentille gravitationnelle forte des galaxies d’arrière-plan pour mesurer la distribution de masse du noyau ; la lentille gravitationnelle faible des galaxies plus lointaines pour tracer le halo externe ; et la détection de la lumière intra-amas, des étoiles flottantes libres non liées à une seule galaxie, dont la forme trace la distribution de matière noire.
La détection de lumière intra-amas, rapportée dans un article complémentaire dirigé par Hyungjin Joo, est la plus précoce jamais réalisée. Elle révèle que l’amas est activement en cours de fusion, confirmé indépendamment par l’analyse de lentille faible et les données X et radio, ajoutant encore à la complexité du tableau.
Pas seulement un amas, un test de la physique fondamentale
La découverte a des implications au-delà de l’astrophysique des amas. Si JWST continue de trouver des amas aussi matures à des époques précoces, le modèle standard Lambda-CDM de formation hiérarchique des structures, dans lequel les structures massives s’assemblent lentement au fil du temps cosmique, pourrait nécessiter une révision significative.
Une possibilité est que XLSSC 122 se soit formé dans un effondrement exceptionnellement précoce, cohérent avec l’évolution de taille accélérée déjà observée dans sa population de galaxies quiescentes. Une autre est que notre compréhension du comportement de la matière noire dans les environnements denses est incomplète. Une troisième option, non exclue par les données, est qu’une cosmologie non standard est à l’œuvre.
« Il est encore tôt dans l’ère JWST », a déclaré Finner. « Si nous pouvons commencer à obtenir des données sur des dizaines ou des centaines de ces types d’objets à ce stade de l’univers, alors nous pourrons vraiment commencer à mettre nos modèles cosmologiques à l’épreuve. »
Les trois articles complémentaires sont publiés dans The Astrophysical Journal Letters. Les données d’imagerie JWST sont disponibles publiquement sur Zenodo.
Traduit par Lydie