Les détecteurs LIGO, Virgo et KAGRA détectent régulièrement des fusions de trous noirs de masse stellaire, mais l'origine de ces objets reste une énigme. Les trous noirs primordiaux, qui auraient pu se former dans l'Univers primordial, sont considérés comme des candidats au rôle de matière noire. Les trous noirs de masse inférieure à la masse solaire présentent un intérêt particulier : l'évolution stellaire ne peut pas les expliquer, de sorte que leur détection constituerait une indication directe d'une origine primordiale. Les recherches existantes d'ondes gravitationnelles issues de tels objets se divisent en deux camps : les filtres adaptés pour les masses proches de la masse solaire et les méthodes semi-cohérentes pour les masses planétaires. Entre les deux béent un vide dans la gamme des masses de chirp allant de 0,01 à 0,1 masse solaire, où les signaux durent de quelques minutes à quelques heures et évoluent rapidement en fréquence. Ce travail comble précisément cette niche, en utilisant les données des campagnes d'observation O4a et O4b de LIGO.
Les auteurs ont appliqué la méthode BinaryGFH-v2, qui travaille sur des cartes de pics : des représentations temps-fréquence des données où l'on sélectionne les maxima locaux de puissance dépassant un seuil. Pour une loi de puissance décrivant l'évolution de la fréquence d'un système binaire, la méthode projette les pics du plan temps-fréquence du détecteur vers des lignes dans le plan fréquence initiale-masse de chirp. La recherche a été menée dans la bande de fréquences 71–169 Hz, divisée en cinq configurations avec des durées de transformée de Fourier cohérente allant de 4 à 0,5 seconde. Les candidats ont été sélectionnés indépendamment dans les détecteurs de Hanford et de Livingston, puis il fallait une coïncidence des paramètres à moins de trois bins et un dépassement du seuil moyen de rapport critique d'environ 6. Pour vérifier les candidats, on a utilisé la démodulation de phase suivie d'une recherche de dérive résiduelle de fréquence par la méthode de Hough en fréquence. L'ensemble de l'analyse a pris environ 350 heures processeur, soit deux à trois ordres de grandeur de moins que les recherches semi-cohérentes précédentes, et quatre à cinq ordres de grandeur de moins que le filtrage adapté.
Dans les données O4a et O4b, aucun candidat significatif n'a survécu. Après l'étape de coïncidence, on comptait 158870 candidats en O4a et 139260 en O4b, mais après application du seuil sur le rapport critique il ne restait qu'un candidat en O4b, et après prise en compte des événements sous le seuil jusqu'à CR=5, trois candidats. Tous ont été rejetés lors de l'étape de vérification ultérieure, car leurs traces temps-fréquence croisaient des raies instrumentales et des peignes connus. L'absence d'événements a permis d'établir des limites supérieures à 90 % sur la densité de taux de fusion dans la gamme des masses de chirp 0,01–0,1 masse solaire. Ces limites relient les contraintes issues des recherches de longue durée sur les masses planétaires et celles du filtrage adapté pour les masses plus élevées. En supposant que les trous noirs primordiaux forment des binaires dans l'Univers primordial sans suppression des fusions, on obtient les premières contraintes d'ondes gravitationnelles sur la fraction de trous noirs primordiaux dans la matière noire : fPBH < 1 pour des masses égales et pour des systèmes asymétriques avec une masse secondaire de 0,0003 à 0,01 masse solaire pour une masse primaire de 2,5 masses solaires.
Ce travail comble un vide important dans les recherches d'ondes gravitationnelles d'objets subsolaires, en reliant deux régimes jusque-là séparés. Contrairement aux études voisines, qui soit couvrent les masses planétaires par des méthodes semi-cohérentes de longue durée, soit utilisent le filtrage adapté pour les masses proches de la masse solaire, il explore pour la première fois systématiquement la gamme intermédiaire à évolution rapide de la fréquence. La méthode BinaryGFH-v2 démontre qu'une telle recherche est possible avec des coûts de calcul inférieurs de plusieurs ordres de grandeur à ceux des alternatives. Les contraintes obtenues sur les trous noirs primordiaux ne dépendent ni d'une fonction de masse particulière ni d'un facteur de suppression, ce qui permet à d'autres chercheurs de les recalculer pour leurs propres modèles.
Les développements futurs pourraient inclure l'application de la méthode aux données des prochaines campagnes d'observation de LIGO, Virgo et KAGRA, ainsi qu'aux données des détecteurs de nouvelle génération prévus, comme Einstein Telescope et Cosmic Explorer. Une meilleure estimation de la densité spectrale de puissance sur de courts intervalles cohérents pourrait accroître la sensibilité dans la partie supérieure de la gamme de masses. On pourrait en outre étendre l'analyse à une gamme plus large de fréquences et de masses, ainsi qu'aux systèmes triples ou aux orbites excentriques.
Les résultats influent directement sur les contraintes relatives à la fraction de trous noirs primordiaux dans la matière noire, en fournissant une méthode de vérification indépendante du microlentillage. Ils fixent également des repères pour les futurs relevés d'ondes gravitationnelles et pour les modèles théoriques de formation de binaires dans l'Univers primordial.
La prochaine étape consistera à appliquer BinaryGFH-v2 à l'ensemble des données O4, y compris les périodes de compatibilité triple avec Virgo, et aux données O5. En parallèle, il conviendrait d'améliorer les algorithmes d'estimation du bruit pour les courtes transformées de Fourier, afin d'accroître la sensibilité aux masses de chirp élevées.
En astronomie des ondes gravitationnelles, la nature de la matière noire et l'existence des trous noirs primordiaux restent des questions non résolues. Ce travail contribue à y répondre en fournissant les premières contraintes dans une gamme de masses jusque-là inexplorée. Il démontre en outre que les méthodes semi-cohérentes peuvent couvrir efficacement les régimes intermédiaires, ce qui ouvre la voie à une cartographie plus complète de la population d'objets compacts subsolaires.
La masse de chirp est une combinaison des masses des deux composantes d'un système binaire, qui détermine le rythme de variation de la fréquence de l'onde gravitationnelle. Pour un système de deux objets de 0,05 masse solaire chacun, le signal durerait environ 20 minutes dans le détecteur LIGO, faisant varier la fréquence de 169 à 71 Hz.
L'idée de trous noirs primordiaux constituant la matière noire est exploitée dans le roman de Greg Egan « L'Échelle de Schild », où des objets compacts exotiques influencent la structure de l'espace. La recherche d'objets subsolaires invisibles fait écho à l'intrigue du film « Interstellar », où les trous noirs jouent un rôle clé dans le destin de l'humanité.