Quelques centaines de millions d'années après le Big Bang, l'Univers ressemblait à une cuisine géante où les premières galaxies se formaient à partir d'une « pâte » primordiale d'hydrogène et d'hélium. En leur centre s'allumaient des trous noirs, telles des fours de puissances variées : des légers « réchauds » aux lourds « âtres ». Mais à quelle vitesse prenaient-ils de la masse en avalant le gaz environnant ? C'est ce qui détermine combien de paires de ces « fours » entreront en collision et fusionneront, émettant un frémissement de l'espace — une onde gravitationnelle — que nous espérons capter des milliards d'années plus tard.
Dans cette nouvelle étude, les astrophysiciens ont modélisé deux scénarios de croissance. Dans le premier, les trous noirs se nourrissaient modestement, dans les limites de la limite d'Eddington (où la pression de la lumière empêche la matière de tomber plus vite). Dans le second, ils « se goinfraient », franchissant cette barrière — c'est ce qu'on appelle l'accrétion super-Eddington. Ensuite, les auteurs ont suivi comment les paires de trous noirs, restées après les fusions de galaxies, se rapprochent lentement sous l'effet du frottement dynamique — comme des cuillères dans un miel épais — et ont calculé leurs fusions jusqu'à nos jours. Les détecteurs du futur — l'antenne spatiale LISA, les installations au sol ET et LGWA — écouteront ces événements, tels des microphones sensibles disposés dans différents coins de la fosse d'orchestre.
Les résultats sont stupéfiants. Avec une alimentation modeste, LISA capterait environ 32 fusions par an, et avec la gloutonnerie, près de 64. En revanche, ET perd des « clients » : il passe de 64 signaux par an à seulement 4. LGWA reste un honorable juste milieu — environ 21 et 12 événements respectivement. En d'autres termes, la façon dont les premiers trous noirs se nourrissaient détermine directement quel détecteur deviendra le principal narrateur de leur histoire. Et le rapport des masses dans les paires, ainsi que la variation du nombre de fusions avec la distance, fournissent une clé pour percer leur origine.
Ainsi, l'astronomie gravitationnelle se transforme en archéologie : à partir des « ossements » — masses et orbites des objets fusionnés — nous reconstituons le menu et les appétits des premiers habitants de l'Univers. Et lorsque les antennes sensibles seront opérationnelles, elles nous diront peut-être si ces trous noirs étaient des mangeurs modestes ou des gourmets cosmiques.
L'accrétion super-Eddington, c'est comme si vous buviez un smoothie épais avec une paille, et qu'il s'aspirait plus vite que la résistance du liquide ne le permet. Dans les trous noirs, le rôle de la « paille » est joué par le champ magnétique, qui aide à aspirer la matière malgré la pression du rayonnement.
Dans le roman « Contact » de Carl Sagan, un signal extraterrestre se déguise en ondes gravitationnelles provenant d'une fusion de trous noirs — ainsi, nos futurs détecteurs pourraient entendre non seulement des cataclysmes naturels, mais peut-être aussi un appel lointain.