La matière noire est un composant de l'Univers aussi incontournable que mystérieux : sa nature est encore inconnue, mais elle serait cinq fois plus abondante que la matière ordinaire. Elle a probablement joué un rôle crucial dans la formation des grandes structures de l’Univers actuel (les motifs visibles dans la répartition des galaxies à très grande échelle). Les simulations numériques suggèrent que dans les régions qui présentaient une légère surdensité aux premiers instants de l’Univers, la matière noire se serait accumulée et formerait aujourd’hui de longs filaments. Une équipe internationale d’astrophysiciens aurait découvert un de ces filaments de matière noire, en détectant son effet sur le trajet de la lumière issue de sources d'arrière-plan – une technique dite de lentille gravitationnelle.

La matière noire est un sujet central de la cosmologie depuis les années 1930, quand l’astronome suisse Fritz Zwicky a remarqué que le mouvement des galaxies au sein de l’amas du Coma n'était pas compatible avec la masse estimée de cet amas. Ce problème de masse manquante a refait surface dans les années 1970 quand on a découvert que les étoiles des galaxies spirales se déplacent trop vite par rapport à la masse de leur hôte, d’après les lois de la gravitation. Les astrophysiciens ont alors imaginé que les galaxies sont entourées d’un halo de matière invisible, la matière noire. Celle-ci intervient aujourd'hui dans de nombreuses observations astrophysiques et cosmologiques. En particulier, la formation des superamas de galaxies dépend fortement de la présence de la matière noire dans l'Univers. La matière usuelle – baryonique – se serait accumulée à l’intersection des filaments de matière noire, donnant naissance aux superamas de galaxies.

Les astrophysiciens cherchent ainsi à détecter les filaments de matière noire entre des couples de superamas. Pour ce faire, ils exploitent l'effet de lentille gravitationnelle. La masse du filament déforme l’espace-temps, si bien que la lumière provenant d’une galaxie située en arrière-plan du filament est déviée lorsqu'elle passe à proximité. L'image de cette galaxie est alors légèrement déformée. Cependant, les régions candidates étudiées présentaient des déformations par effet de lentille trop faibles pour qu’on puisse les interpréter de façon fiable comme des structures de matière noire.

Jörg Dietrich, de l’Université du Michigan, et ses collègues ont étudié un candidat filament dont la configuration optimise les observations. Situé entre les deux superamas de galaxies Abell 222 et Abell 223, il serait long de 18 mégaparsecs (environ 60 millions d’années-lumière), mais le point crucial est qu’il est plus ou moins orienté selon la ligne de visée des observations. L’effet de lentille gravitationnel potentiel se cumule ainsi sur toute la longueur du filament.

L’équipe a étudié la distorsion de près de 40 000 galaxies d'arrière-plan, et en a conclu qu'il existe bien un filament d'une masse représentant 200 à 300 fois celle de notre galaxie. Des observations en rayons X par le télescope spatial XMM-Newton suggèrent que le gaz chaud contribuerait au plus à neuf pour cent de la masse du filament, et des simulations numériques estiment à dix pour cent la part de la matière baryonique présente sous forme d’étoiles et de galaxies. Le reste de la masse du filament serait donc de la matière noire.

L’équipe d’astrophysiciens s’est également assurée que ce qui pourrait être un filament n’est pas en réalité partie intégrante des superamas. Elle a étudié différentes configurations, en modélisant la forme des superamas avec ou sans la présence d’un filament. Le scénario le plus probable est celui où un pont de matière noire relie les superamas.

Cette observation serait donc la première détection d’un filament de matière noire. Comme d'autres observations, toutes indirectes – dans l'amas du boulet, les anisotropies du fond diffus cosmologique, les courbes de rotation des galaxies, etc –, ce résultat renforce l'hypothèse de l'existence de la matière noire, en attendant une détection directe ou sa production dans un collisionneur de particules.