Le 23 novembre 2023, les détecteurs LIGO, Virgo et KAGRA ont capté une onde gravitationnelle provenant de la fusion de deux trous noirs de masses 137 et 103 masses solaires. Tous deux se situent dans la lacune de l'instabilité de paire, la plage de 69 à 139 masses solaires où l'évolution stellaire ordinaire ne laisse derrière elle que du gaz en expansion. Les spins de ces trous noirs se sont révélés suspects d'être élevés : 0.9 et 0.8 de la valeur maximale possible. D'où vient une telle paire, c'est une énigme qui a hanté les astrophysiciens.

La réponse est venue d'un côté inattendu : le potier cosmique. La rotation de l'étoile et son champ magnétique façonnent le trou noir naissant comme les mains d'un artisan donnent forme à l'argile. Un champ trop faible, et le trou noir absorbe presque toute l'étoile, devenant trop massif. Trop fort, et les jets balaient tant de matière que le trou noir reste léger et lent. Un champ modéré, en revanche, agit comme un instrument de précision : il coupe exactement la masse nécessaire pour que le trou noir tombe dans la lacune, tout en le faisant tourner à grande vitesse.

Les auteurs ont suivi le destin d'un cœur d'hélium de 250.75 masses solaires. D'abord, l'étoile a évolué et perdu de la matière par le vent stellaire ; au moment de l'effondrement, sa masse avait diminué à 149 masses solaires. L'effondrement a duré 4.29 secondes et a produit un trou noir de 40 masses solaires avec un spin de 0.5. Ensuite, une course a commencé : le taux d'accrétion immédiatement après la formation a dépassé 100 masses solaires par seconde, puis s'est stabilisé entre 10 et 40 masses par seconde. Toute l'étoile a été engloutie en environ une seconde.

Le résultat dépendait du champ magnétique, comme le destin d'une sculpture dépend de la force des mains de l'artisan. Avec un champ faible, les jets ne se sont pas formés, et le trou noir a accrété presque toute l'étoile, atteignant une masse d'environ 140 masses solaires et un spin maximal proche de l'unité. Avec un champ fort, le flux magnétique s'est saturé, les jets ont extrait l'énergie de rotation avec une puissance allant jusqu'à $10^{54}$ erg/s, et le trou noir a été freiné, jusqu'à une rotation rétrograde dans le modèle le plus extrême. Le champ modéré a donné l'équilibre idéal : une masse d'environ 100 masses solaires et un spin de 0.8, exactement comme le composant secondaire de GW231123. Le composant primaire, avec une masse de 137 masses solaires et un spin de 0.9, est reproduit par le modèle à champ faible.

Ce travail lève la principale objection contre le canal d'effondrement direct pour la formation de trous noirs dans la lacune de l'instabilité de paire. On pensait auparavant qu'une étoile isolée lors de l'effondrement donnait un trou noir avec la masse du cœur, c'est-à-dire au-dessus de la lacune. Maintenant, il est montré que la rotation et les champs magnétiques peuvent naturellement réduire la masse à la plage souhaitée et faire tourner le trou noir. La nouvelle corrélation entre la masse et le spin en fonction de l'intensité du champ magnétique du progéniteur devient un outil diagnostique pour les études de population. Et les jets puissants prédisent des transitoires électromagnétiques brillants, comparables aux sursauts gamma les plus énergétiques, ouvrant la voie à l'astronomie multi-messagers.

Le potier cosmique poursuit son œuvre. Les futures simulations devront inclure l'évolution dynamique du spin du trou noir et le calcul des kicks, qui peuvent retourner les spins et modifier les orbites dans les systèmes binaires. Une gamme plus large de masses de progéniteurs et de profils de rotation permettra de construire une image complète de la formation des trous noirs massifs. Et la recherche observationnelle d'analogues électromagnétiques de tels effondrements dans l'Univers primitif aidera à vérifier les prédictions du modèle. La rotation et le champ magnétique, voilà les mains invisibles qui façonnent les objets les plus mystérieux de l'Univers.