Au centre d'une galaxie, là où un trou noir supermassif enroule autour de lui un disque de gaz incandescent, naissent parfois des étoiles géantes. Elles ne ressemblent pas aux étoiles ordinaires : le disque les nourrit continuellement de matière, et l'étoile peut atteindre des centaines de masses solaires, restant brillante tant que le flux de gaz ne s'épuise pas. Une telle étoile est comme une éponge qui absorbe l'eau : elle vit tant qu'on la remplit. Si un trou noir de masse stellaire tombe dans cette éponge, quelque chose d'inhabituel commence.

Le trou noir, une fois à l'intérieur de l'étoile, ne tombe pas immédiatement au centre. Le gaz qui l'entoure freine son mouvement comme le miel visqueux ralentit une bille qui tombe. Ce frottement gazeux force le trou noir à décrire une spirale, se rapprochant progressivement du noyau de l'étoile. Le trajet de la surface au centre prend environ un dixième d'année, un instant à l'échelle cosmique. Si un deuxième trou noir pénètre dans l'étoile, ils se rencontrent dans le noyau et forment une paire serrée.

La paire de trous noirs à l'intérieur de l'étoile se comporte comme deux gouttes de mercure jetées dans de l'huile. Le gaz qui les entoure ne se contente pas de les freiner, il extrait de l'énergie du mouvement orbital, forçant les trous noirs à se rapprocher. Le temps de fusion est réduit de millions d'années à une heure. Les ondes gravitationnelles d'une telle fusion seraient visibles par les détecteurs LIGO–Virgo–KAGRA, mais le signal a une particularité : aux fréquences que LISA peut entendre, il est supprimé, et dans la gamme des décihertz, il est décalé en phase. Le futur détecteur DECIGO pourra distinguer cette signature.

Chaque étoile géante ne subit qu'une ou deux de ces fusions. Ensuite, le gaz en son sein se réchauffe ou l'étoile est détruite, ce qui limite la croissance hiérarchique des trous noirs vers des masses intermédiaires. Cela explique pourquoi, dans la population de fusions enregistrées par LIGO–Virgo–KAGRA, on observe un excès d'événements avec un spin effectif positif : les trous noirs qui ont fusionné à l'intérieur d'une étoile héritent de sa rotation.

Revenons à l'éponge qui absorbe le gaz. L'étoile géante dans le disque d'un noyau actif n'est pas simplement un réservoir passif. Elle devient un accélérateur naturel de fusions, où le gaz joue le rôle d'une main invisible qui rapproche les trous noirs en quelques heures. Ce mécanisme a peut-être déjà laissé une trace dans les données des observatoires d'ondes gravitationnelles, mais pour le voir, il faut des détecteurs de nouvelle génération sensibles aux fréquences décihertz. Alors nous pourrons regarder à l'intérieur de ces cocons stellaires et voir comment naissent les paires de trous noirs.