Deux trous noirs tournent l'un autour de l'autre dans une danse serrée, et autour d'eux naît quelque chose d'étonnant : une molécule gravitationnelle. Un nuage de bosons ultra-légers, des particules de masse inférieure à l'électron-volt, enveloppe la paire comme le nuage électronique dans l'ion H2+. Seulement, ici, les noyaux sont remplacés par les trous noirs, et l'électron par un champ étalé sur des dizaines de kilomètres. Cette danse n'est pas parfaite : la partie interne de la molécule tourne en rythme avec l'orbite, tandis que la partie externe reste en arrière, et de cette différence jaillissent des étincelles : des bosons s'échappent de l'état lié. Les physiciens appellent ce processus l'ionisation.

Jusqu'à présent, on ignorait comment se comporte ce nuage lorsque les trous noirs ont des masses comparables. Les chercheurs ont simulé la danse sur un supercalculateur : ils ont pris des masses égales, une distance de 20 masses de trou noir, et une masse de boson de 0.2 en unités de masse du trou noir. Ils ont obtenu un rayon de Bohr de 25M, la taille caractéristique de l'atome gravitationnel. Il s'est avéré que la région interne, jusqu'à la moitié de la distance entre les trous, tourne avec l'orbite, tandis que la région externe reste en arrière. Les pics d'ionisation dans le spectre apparaissent à des fréquences décalées par rapport aux états liés d'un multiple entier de la fréquence orbitale. Pour les orbites circulaires, un seul mode domine ; pour les orbites excentriques, un autre, avec une amplitude qui croît comme une puissance de l'excentricité.

Cette découverte change notre vision de l'évolution des binaires de trous noirs. L'ionisation peut soustraire de l'énergie et du moment cinétique plus rapidement que l'émission d'ondes gravitationnelles, surtout aux premiers stades. Dans le spectre du fond stochastique d'ondes gravitationnelles, une cassure caractéristique devrait apparaître à une fréquence d'environ 2.8 nHz pour des paramètres typiques. Ces données peuvent déjà être recherchées dans les observations des réseaux de chronométrage de pulsars. C'est un pas vers la résolution de l'énigme du dernier parsec : comment les binaires supermassives de trous noirs franchissent le dernier parsec et fusionnent. L'ionisation des molécules gravitationnelles pourrait être le mécanisme qui accélère la fusion.

La danse des trous noirs et du nuage de bosons continue, et chaque boson éjecté est une étincelle qui emporte de l'énergie. La molécule fond, l'orbite se resserre, et finalement les trous noirs fusionnent en un seul. Les ondes gravitationnelles de cette fusion nous apporteront la mémoire de la danse, et c'est peut-être dans leur spectre que nous verrons la trace de la molécule gravitationnelle.