Le 23 novembre 2023, les détecteurs LIGO ont capté quelque chose d'étrange. Le signal d'ondes gravitationnelles d'une fusion de deux trous noirs, numéroté GW231123, indiquait des masses records – 137 et 101 masses solaires – et une rotation anormalement rapide. Ce serait la paire la plus massive et la plus rapide jamais enregistrée. Mais les données recelaient une énigme : la forme du signal suggérait que nous observions peut-être non pas des objets réels, mais leur reflet déformé.
L'idée remonte à Einstein lui-même : les corps massifs courbent la courbure de l'espace-temps, et les ondes qui les traversent – qu'il s'agisse de lumière ou de gravité – changent de trajectoire. C'est le lentillage gravitationnel. Quand la lentille a une taille de l'ordre de la longueur d'onde, la diffraction entre en jeu et le signal n'est pas simplement copié mais modifié – comme un reflet dans un miroir déformant. Cet effet est appelé microlentille gravitationnelle. Si une masse compacte se trouvait sur le chemin de l'onde de GW231123 – par exemple un trou noir errant ou un halo dense de matière noire, hypothèse avancée par Fritz Zwicky et confirmée plus tard par Vera Rubin – elle aurait pu amplifier et distordre le signal d'une fusion plus légère, lui donnant l'apparence d'un événement extrême.
Pour y voir clair, les astrophysiciens ont appliqué l'inférence bayésienne aux données ouvertes de LIGO. Ils ont comparé deux hypothèses : le signal d'une vraie paire de trous noirs lourds et le signal d'une paire plus légère, passé à travers une lentille gravitationnelle. Trois types de lentilles – masse ponctuelle (trou noir de masse intermédiaire), profil de loi de puissance (pour la matière noire auto-interagissante) et sphère isotherme – ont été testés via une simulation numérique et un traitement du signal. Point clé : les calculs intégraient la rareté a priori – à quelle fréquence rencontre-t-on une telle lentille à la distance appropriée (épaisseur optique) et quelle est la population de trous noirs en fusion en général. Ces poids statistiques, issus des données sur la structure à grande échelle de l'Univers à différents décalages vers le rouge, ont radicalement modifié les probabilités finales.
Sans tenir compte de la rareté, les modèles lentillés décrivaient mieux le signal : les masses des composants descendaient à des valeurs typiques de 100 et 50 masses solaires, et les spins diminuaient. Mais dès que les probabilités a priori sont entrées dans l'inférence bayésienne, la balance a basculé. Par exemple, pour une lentille constituée d'un trou noir de masse intermédiaire, les chances finales en faveur de l'explication non lentillée étaient colossales : 10^−5. Même pour le modèle le plus « chanceux » – un halo de matière noire auto-interagissante – la probabilité d'observer un tel événement tombait en dessous de 0,1 %. Ainsi, il reste très probable que GW231123 soit un système réellement extrême, et ses étrangetés pourraient s'expliquer par des systématiques non prises en compte dans les interféromètres ou les modèles de signaux.
L'histoire de GW231123 est une leçon importante à l'ère où les détecteurs d'ondes gravitationnelles accumulent des milliers d'événements. L'illusion du miroir déformant ne s'est pas confirmée, mais la méthodologie de recherche d'ondes lentillées a franchi un nouveau cap : nous savons désormais peser non seulement l'ajustement du modèle, mais aussi sa vraisemblance cosmique. Cette approche sera utile aux futurs observatoires comme Einstein Telescope, qui verront encore plus loin et plus profond, découvrant peut-être de véritables mirages gravitationnels. En attendant, l'énigme de GW231123 rappelle que, même dans les abysses des trous noirs, se reflètent non seulement la nature elle-même, mais aussi les limites de notre connaissance.
Si GW231123 était vraiment lensé, son délai temporel de 22 ms coïncide avec la période de l'onde gravitationnelle au pic de la fusion — une telle coïncidence est extrêmement improbable et laisse penser que le « lentillage » pourrait être un artefact d'ajustement.
Dans le roman « Contact » de Carl Sagan, les extraterrestres utilisent la lentille gravitationnelle pour amplifier un signal ; ici, au contraire, la lentille brouille l'image, masquant la véritable nature de la source.