[Un mystérieux objet détecté par LIGO relance la piste des trous noirs primordiaux]

Depuis la première détection d’ondes gravitationnelles en 2015, les observatoires LIGO, Virgo et KAGRA ont profondément renouvelé notre vision des trous noirs. La plupart des objets observés jusqu’à présent correspondent à ce que les astrophysiciens attendaient : des trous noirs issus de l’effondrement d’étoiles massives, dont la masse est généralement comprise entre quelques dizaines et une centaine de fois celle du Soleil.

Lorsqu’une étoile massive termine sa vie, son cœur s’effondre sous l’effet de la gravité. Selon sa masse, il donne naissance soit à une étoile à neutrons, soit à un trou noir. Les modèles actuels prédisent cependant qu’il est extrêmement difficile, voire impossible, de produire un trou noir de moins d’une masse solaire par ce mécanisme. Découvrir un tel objet reviendrait donc à constater qu’il s’est formé autrement.

Contrairement aux trous noirs « classiques », les trous noirs primordiaux, encore entièrement hypothétiques, ne seraient pas les vestiges d’étoiles mortes. Ils seraient apparus quelques fractions de seconde après le Big Bang, lorsque l’Univers était encore incroyablement dense et chaud. De minuscules fluctuations de densité auraient alors pu suffire à provoquer un effondrement gravitationnel direct. Selon les modèles, ces objets auraient pu naître avec des masses extrêmement variées, allant de valeurs inférieures à celle d’une planète jusqu’à plusieurs dizaines de masses solaires.

Si cette idée existe depuis les années 1970, elle est longtemps restée spéculative. L’une des raisons de cet intérêt persistant est qu’une population suffisamment abondante de trous noirs primordiaux pourrait contribuer à expliquer une partie de la matière noire, cette composante invisible qui représente environ 85 % de la matière de l’Univers mais dont la nature demeure inconnue. Les observations astronomiques ont progressivement éliminé de nombreuses plages de masses possibles, sans toutefois exclure totalement cette hypothèse.

Le candidat observé par LIGO est en cela intéressant parce qu’il semble se situer dans une région où les mécanismes de formation classiques peinent à fournir une explication satisfaisante. Les détecteurs ne « voient » pas directement le trou noir : ils enregistrent les infimes déformations de l’espace-temps produites lorsqu’un système binaire d’objets compacts fusionne. À partir de la forme du signal, les chercheurs peuvent estimer la masse des deux objets impliqués. Dans ce cas précis, l’analyse indique qu’au moins l’un des deux composants possède une masse inférieure à celle du Soleil avec une probabilité très élevée, ce qui en ferait un candidat particulièrement remarquable.

Il convient toutefois de rester prudent. Les premières annonces de LIGO correspondent souvent à des « candidats », qui doivent ensuite être examinés en détail. Les chercheurs doivent vérifier que le signal ne résulte pas d’un bruit instrumental ou d’un phénomène mal interprété. D’autres explications restent également envisageables, comme des scénarios encore mal compris impliquant des étoiles à neutrons très particulières ou des mécanismes de formation exotiques. En science, une observation exceptionnelle exige toujours des preuves particulièrement solides.

Même si ce candidat n’était finalement pas un trou noir primordial, il marque une étape importante. Les collaborations LIGO, Virgo et KAGRA consacrent désormais une partie de leurs recherches à la chasse aux objets de masse subsolaire, précisément parce que si un tel objet était confirmé, les conséquences seraient considérables. Les astrophysiciens disposeraient d’une nouvelle fenêtre sur les tout premiers instants de l’Univers, bien avant la formation des premières étoiles. Une telle découverte offrirait également un nouvel angle pour comprendre la matière noire et tester les modèles cosmologiques décrivant les premières fractions de seconde après le Big Bang.