En avril 2023, les détecteurs LIGO, Virgo et KAGRA ont capté une onde gravitationnelle provenant de la fusion de deux trous noirs. Avec des masses de 137 et 103 masses solaires, l'événement GW231123 est le plus massif jamais observé. Les deux trous noirs se trouvent dans le « creux d'instabilité de paire », une plage où l'évolution stellaire ordinaire ne devrait pas laisser de trous noirs. Les spins des composants, 0.90 et 0.80, sont également anormalement élevés pour de tels géants. D'où vient cette paire ?
Les astrophysiciens envisagent depuis longtemps les trous noirs primordiaux, des objets nés dans les premiers instants après le Big Bang à partir de fluctuations de densité. Ces trous noirs peuvent croître par accrétion, c'est-à-dire par la chute de gaz environnant. Dans ce nouveau travail, les auteurs montrent qu'en partant de deux graines modestes de 85.5 et 59.1 masses solaires, l'accrétion les fait croître jusqu'aux masses observées de 137 et 103 masses solaires. De plus, le gaz qui tombe fait tourner les trous noirs plus vite, augmentant leurs spins jusqu'à 0.90 et 0.80, exactement comme dans les données de LIGO-Virgo-KAGRA.
Le modèle ne se contente pas d'ajuster les paramètres. Il prédit le taux de fusions : pour expliquer un seul GW231123, il faut que les trous noirs primordiaux constituent environ $10^{-3}$ de la matière noire. Cette valeur se situe à la limite des régions exclues par les observations en rayons X et du fond diffus cosmologique, ce qui signifie que l'hypothèse n'est pas encore contredite par les données, mais elle n'est pas non plus confirmée. La prochaine session d'observation O5 devrait détecter environ 20 événements de ce type si l'interprétation est correcte.
Le scénario des trous noirs primordiaux explique à la fois les masses et les spins sans recourir à des canaux astrophysiques exotiques comme les fusions hiérarchiques dans les amas denses. S'il est correct, les trous noirs primordiaux pourraient constituer une fraction notable de la matière noire dans la gamme de quelques dizaines de masses solaires. Le télescope Einstein Telescope pourra observer des fusions à des redshifts z > 15, là où les trous noirs stellaires n'existaient pas encore. Ce sera un test décisif.
Des graines modestes devenues géantes sous une pluie de gaz, c'est ainsi que l'on peut décrire la naissance de GW231123. Les prochaines ondes gravitationnelles montreront à quel point cette image est proche de la réalité.
Les masses initiales de GW231123 (85.5 et 59.1 masses solaires) ont augmenté après accrétion à 137 et 103 masses solaires, ce qui signifie que le trou noir le plus petit a « rattrapé » le plus grand, faisant passer le rapport des masses de 0.69 à 0.75.
L'idée de trous noirs primordiaux comme masse cachée fait écho au roman de Greg Egan, « L'Échelle de Schild », où des objets compacts exotiques issus de l'Univers primordial jouent un rôle clé en cosmologie.