Les trous noirs de masse intermédiaire se dévoilent

Il y a pourtant urgence à les comprendre, car ils pourraient constituer les briques pour bâtir, par fusions successives, les trous noirs supermassifs (de plusieurs millions à plusieurs milliards de masses solaires) qui hantent le cœur des galaxies. Autant dire que toute information à leur sujet est bienvenue.

C'est précisément ce qui rend précieux l'O4, le nouveau catalogue d'ondes gravitationnelles de la collaboration Ligo-Virgo-Kagra (LVK) - le quatrième depuis 2015 - et publié dans Astrophysical Journal Letters le 5 mars. Puis que, des trous noirs intermédiaires, LVK en a ramené quelques-uns dans ses filets…

Le réseau LVK repose sur quatre détecteurs : deux aux États-Unis (Ligo), un en Italie (Virgo) et un au Japon (Kagra). Ils enregistrent les infimes déformations de l'espace-temps provoquées par le passage d'ondes gravitationnelles. Ces ondes sont émises lors de la fusion de trous noirs ou d'étoiles à neutrons. Quatre événements enregistrés par la collaboration entre 2023 et 2024 pourraient être classés comme trous noirs de masse intermédiaire.

Une naissance observée "en direct", une aubaine pour les chercheurs

Même s'il faut rester prudent, comme l'explique Viola Sordini, astrophysicienne à l'Institut des 2 infinis de Lyon et membre de la collaboration LVK. "Ces objets sont difficiles à caractériser avec précision. Les masses des trous noirs détectés ne sont pas mesurées directement, mais déduites à partir de la forme du signal d'ondes gravitationnelles émis lors de leur fusion." Les résultats sont donc exprimés en termes de probabilités, avec des marges d'incertitude parfois importantes. Néanmoins, un constat s'impose selon Viola Sordini : "Les trous noirs intermédiaires existent. Il n'y a pas de 'trou' dans la distribution des masses."

Parmi les événements enregistrés lors de l'O4, il y en a un qui se distingue particulièrement : GW231123. Détecté le 23 novembre 2023, cet épisode correspond à la fusion de deux trous noirs estimés à environ 103 et 137 masses solaires, qui ont donné naissance à un trou noir final de 225 masses solaires. Les astres "parents" et le rejeton sont donc tous dans la gamme des trous noirs intermédiaires, un cas unique pour l'instant. "C'est la fusion des trous noirs les plus massifs jamais enregistrés. Et le signal est très net, donc nous avons une grande confiance dans ce résultat", se félicite Marta Volonteri. Cette naissance observée "en direct" d'un trou noir intermédiaire, à partir de deux autres, constitue une aubaine pour les scientifiques, qui tentent de comprendre son origine. Plusieurs scénarios sont à l'étude, correspondant à différents cas de figure.

Le premier script repose sur l'effondrement d'une étoile massive sur elle-même. "La question de savoir si une étoile normale peut former ce type de trou noir n'a rien d'évident", avertit Marta Volonteri. Il faudrait, en effet, envisager comme "parent" une étoile d'au moins 100, voire 1000 masses solaires. Or, les étoiles les plus massives, surtout lorsqu'elles sont riches en éléments plus lourds que l'hydrogène et l'hélium, perdent une grande partie de leur masse au cours de leur vie.

"Même une étoile de plusieurs milliers de masses solaires peut donner un trou noir d'une dizaine de masses solaires seulement ", estime l'astrophysicienne. À l'inverse, des étoiles pauvres en métaux peuvent conserver une fraction beaucoup plus importante de leur masse, mais ces conditions sont rares dans l'univers actuel. En effet, seules les toutes premières générations d'étoiles étaient dépourvues d'éléments lourds, puisqu'ils n'avaient pas encore été forgés.

Ces premières étoiles pourraient donc, en théorie, donner naissance à des trous noirs relativement massifs. Mais, comme le souligne Marta Volonteri, "elles ne peuvent expliquer à elles seules les événements observés aujourd'hui". En effet, les trous noirs qu'elles produisent sont trop rares et, surtout, trop peu susceptibles de former des couples assez proches pour finir par entrer en collision et former toute la gamme des trous noirs intermédiaires.

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Traquer étoiles et trous noirs dans l'Univers plus lointain

Un autre scénario envisage leur formation dans des environnements denses, comme les amas d'étoiles. Là, des collisions et des fusions successives de trous noirs pourraient donner naissance à des objets de plus en plus massifs. Toutefois, ce mécanisme se heurte à une difficulté majeure : "Au moment où deux trous noirs fusionnent, le trou noir résultant acquiert une vitesse qui peut être très élevée", rappelle Marta Volonteri. Propulsé à plusieurs centaines de kilomètres par seconde, il est alors éjecté de son environnement, ce qui limite fortement la possibilité de fusions en chaîne.

Reste enfin l'hypothèse d'un effondrement direct de vastes nuages de gaz. Dans ce scénario, le gaz ne se fragmente pas en étoiles ordinaires, mais s'effondre en une étoile supermassive, avant de s'effondrer à son tour en trou noir. Mais là encore, les conditions nécessaires sont extrêmes. Il faut, notamment, des environnements très pauvres en éléments lourds et des flux de gaz suffisamment intenses pour empêcher le nuage de se fragmenter en plusieurs étoiles ordinaires, tout en alimentant en continu l'étoile centrale de plus en plus massive. "On s'attend à ce que ces processus soient peu fréquents", conclut la chercheuse en astrophysique.

Alors, que nous dit GW231123, confronté à tous ces scénarios ? Il contient un précieux indice sur l'origine des corps parents. Il s'agit de leur spin, qui correspond à leur rotation sur eux-mêmes. Les deux objets précurseurs de GW231123 semblent avoir eu un spin élevé avant de se percuter et de fusionner. Or, ce spin renseigne sur leur histoire. En effet, des trous noirs issus de fusions successives ont tendance à acquérir des spins élevés. À l'inverse, ceux formés directement par l'effondrement d'une étoile devraient, en moyenne, tourner plus lentement. Dans le cas de GW231123, ce spin élevé apparaît donc comme un indice fort en faveur d'une croissance par étapes. Évidemment, si l'on considère que les trous noirs acquièrent une vitesse après avoir fusionné, ces rencontres successives posent question. Hélas, pris isolément, un événement comme GW231123 pose plus de problèmes qu'il n'en résout.

D'autant plus que la gamme de masses des trous noirs intermédiaires est large : rien ne dit qu'un astre de 200 masses solaires se forme comme un objet cent fois plus massif. Comme le souligne Viola Sordini, "il faut continuer d'accumuler des détections afin de brosser un portrait statistique de ces populations". En effet, avec davantage de données, les astrophysiciens peuvent comparer les masses et les rotations observées aux prédictions des différents modèles, et commencer, enfin, à départager les scénarios.

Par ailleurs, la collaboration LVK n'est pas l'unique moyen d'en apprendre plus sur les trous noirs intermédiaires, rappelle Marta Volonteri : "Les caractéristiques de ces détecteurs les limitent à des trous noirs de quelques centaines de masses solaires, et relativement proches de nous. Pour moi, ce qui est important, c'est de pouvoir étudier le comportement des étoiles et des trous noirs dans les amas d'étoiles, ce que fait déjà LVK, mais dans l'Univers plus lointain."

De nouveaux instruments de détection bientôt disponibles

Pour cela, de nouveaux instruments devraient entrer en scène dans les prochaines années. À commencer par l'observatoire Vera-Rubin, au Chili, et son programme LSST (Legacy Survey of Space and Time). Il réalisera bientôt un relevé complet du ciel visible toutes les semaines, de quoi repérer en continu les événements brefs et violents - explosions d'étoiles, collisions d'astres ou variations soudaines de luminosité - susceptibles de trahir la présence de trous noirs intermédiaires. Il a collecté sa première lumière en novembre 2025. Le radiotélescope géant SKA (Square Kilometre Array), en cours de construction, permettra quant à lui d’étudier avec une précision inédite les populations d’étoiles et de trous noirs grâce à ses observations dans le domaine des ondes radio.

Enfin, les pièces maîtresses de la traque aux trous noirs se nomment Lisa (Laser Interferometer Space Antenna) et Einstein Telescope. Lisa est un détecteur d’ondes gravitationnelles spatial prévu pour 2035. Constitué de trois satellites, il sera sensible à des trous noirs bien plus massifs et à des distances bien plus grandes que LVK… Idem pour Einstein Telescope, le successeur européen et terrestre de LVK, prévu pour 2040. De quoi traquer les trous noirs de masse intermédiaires jusqu’au fin fond de l’Univers.

O4, un catalogue qui change d'échelle

Onze ans après la première détection d'ondes gravitationnelles, la collaboration Ligo-Virgo-Kagra (LVK) franchit un cap avec l'O4, son quatrième catalogue, publié en 2026. Celui-ci recense 128 nouveaux événements détectés entre mai 2023 et janvier 2024, soit plus du double des trois premières campagnes. Mais au-delà du nombre, c'est la diversité des sources qui frappe. Le catalogue révèle des systèmes de plus en plus massifs, à commencer par GW231123, la fusion de deux trous noirs de plus de 100 masses solaires chacun, la plus lourde jamais observée. D'autres événements sortent du lot.

GW231028 présente ainsi des trous noirs en rotation extrêmement rapide sur eux-mêmes, environ 40 % de la vitesse de la lumière, tandis que GW231118 met en scène un système très déséquilibré, où l'un des objets est deux fois plus massif que l'autre. À l'inverse, certains signaux figurent parmi les plus "nets" jamais enregistrés, comme GW230814, permettant de tester avec une précision inédite la théorie de la relativité générale.

Ce catalogue ne correspond toutefois qu'au premier tiers de la campagne O4, le reste devant être publié en deux temps d'ici à la fin de l'année, après analyse fine des données. Viola Sordini se montre optimiste : "Il y a eu environ 250 alertes significatives durant l'O4. Cela signifie qu'il y aura encore beaucoup de données à venir, et de science intéressante à faire avec LVK. "