La lumière d'une galaxie lointaine s'est dédoublée, triplée, quadruplée, et au centre est apparu un cinquième fantôme. Voici HerS-3 : une jeune galaxie, pleine de poussière et d'étoiles naissantes, dont la lumière a traversé une lentille gravitationnelle, un objet massif qui courbe les rayons comme le verre d'une loupe. En général, une lentille produit des arcs ou des anneaux, mais ici, on obtient une croix d'Einstein : quatre images d'une même source, disposées autour d'un centre invisible. Et ce centre n'est pas vide.

Les astronomes ont pointé trois instruments sur le système : NOEMA, ALMA et le VLA. Les spectres des cinq images coïncident dans les moindres détails, ce qui prouve que la lumière provient bien d'une seule galaxie. Mais lorsque les scientifiques ont tenté d'expliquer la forme de la croix par la gravité des quatre galaxies visibles, le modèle s'est effondré. Les écarts atteignaient 0.2 seconde d'arc, un gouffre dans le monde des lentilles. Ils ont alors ajouté au modèle un cinquième composant invisible : un halo massif de matière noire, un nuage sphérique de substance invisible qui ne se manifeste que par la gravité. Et l'image s'est ajustée avec une précision supérieure à 0.02 seconde d'arc.

Ainsi, la loupe cosmique a révélé sa poignée invisible. Jusqu'à présent, les croix d'Einstein étaient recherchées en optique et en proche infrarouge, et aucune n'avait été trouvée en submillimétrique. HerS-3 est la première. Et c'est aussi le premier cas où une géométrie de lentille aussi rare pointe directement vers un halo sombre massif dans un groupe de galaxies. La masse de ce halo est comprise entre $10^{12}$.2 et $10^{13}$ masses solaires, et le facteur d'agrandissement total du système est de 17 à 19. Dans le plan de la source, la galaxie est vue presque par la tranche : un disque de 2.3 sur 0.9 kiloparsec, avec un puissant écoulement de gaz à une vitesse d'au moins 350 km/s.

Ce système est un laboratoire prêt à l'emploi. De nouvelles observations avec ALMA et le JWST permettront de résoudre la structure de la source à des échelles inférieures à 100 parsecs et de vérifier comment l'écoulement traverse les caustiques, ces lignes où l'amplification de la lumière est maximale. Le suivi de la variabilité fournira des délais temporels entre les images, à partir desquels on pourra mesurer la constante de Hubble. Ainsi, une galaxie lointaine, multipliée par la gravité, devient une clé pour la matière noire et l'expansion de l'Univers.