Lorsque deux trous noirs fusionnent, des ondulations se propagent à travers le tissu de l'espace-temps : ce sont les ondes gravitationnelles. Mais que se passerait-il si, à la place de l'un d'eux, il n'y avait pas un trou noir ordinaire, mais quelque chose d'autre — un objet compact exotique ? La théorie admet qu'il n'a pas d'horizon des événements, mais une surface réfléchissante. Dans ce cas, après le pic principal, une série d'échos amortis suivrait — un écho gravitationnel.
On pensait auparavant que ces échos se produisaient à intervalles réguliers, comme un écho dans les montagnes. Mais les auteurs de l'étude montrent qu'il n'en est rien. Les ondes piégées au bord de la « sphère de photons » gravitationnelle (la région où la lumière tourne en cercle) commencent à se comporter différemment. Leurs fréquences ne s'alignent pas en une rangée, mais se resserrent — plus le ton est grave, plus elles sont rapprochées. C'est comme dans un bus bondé où les passagers se serrent de plus en plus vers l'arrière.
Le plus important : ce resserrement est une empreinte pure de l'espace-temps externe courbé. Il ne dépend pas des détails microscopiques de la surface réfléchissante, à moins que celle-ci n'introduise son propre jeu de fréquences. Les astronomes disposent ainsi d'un outil pour distinguer un véritable écho de trou noir des illusions, et du même coup pour vérifier s'il existe dans l'Univers des objets sans horizon.
L'écho gravitationnel cesse d'être un simple « répétition » du signal. Il devient une clé pour la géométrie de l'espace lui-même, où chaque écho suivant est un peu plus proche du précédent — et dans ce rythme est encodée la forme de l'invisible.
La sphère de photons autour d'un trou noir est un endroit où un rayon de lumière peut tourner pendant des années sans tomber à l'intérieur ni s'échapper. Pour le Soleil, un tel rayon serait d'environ 4,5 kilomètres.