Il arrive que les trous noirs entrent parfois en collision entre eux ; selon une étude parue il y a deux ans, celui trônant au sein de notre propre galaxie (Sagittarius A*) serait même né de cette manière. Ces événements se produisent régulièrement, en particulier dans les régions denses de l’univers où les étoiles massives s’accumulent (comme les amas globulaires). Le 23 novembre 2023, par exemple, les deux interféromètres de LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), aux États-Unis, captèrent simultanément une fluctuation dans la courbure de l’espace-temps (voir encadré ci-dessous).
Le signal fut baptisé GW231123, et, selon les chercheurs qui l’ont analysé, il ne pouvait être provoqué que par une collision entre deux trous noirs. Leurs masses combinées atteignaient entre 190 et 265 fois celle du Soleil : du jamais vu dans l’histoire de l’astronomie gravitationnelle. Mais il y a un hic : des trous noirs aussi massifs, tournant de surcroît à une vitesse vertigineuse (proches de la limite théorique de rotation), ne devraient tout simplement pas exister selon les modèles standards d’évolution stellaire. Ils entrent en plein dans ce que les astrophysiciens nomment : la « pair-instability mass gap », une zone de masses théoriquement interdite (grosso modo entre 60 et 130 masses solaires) dans laquelle les processus nucléaires à l’œuvre dans les étoiles massives en fin de vie empêchent la formation de trous noirs.
À ce titre, GW231123 ne rentrait dans aucune case de nos modèles prédictifs, et aucune des hypothèses avancées depuis n’avait fait consensus. Une équipe de l’Institut Max-Planck de physique gravitationnelle (Institut Albert Einstein) à Potsdam, vient tout juste de proposer une hypothèse qui, si elle se confirme, pourrait expliquer son origine : les deux trous noirs qui se sont rencontrés il y a presque trois ans n’étaient pas si massifs qu’on ne le pensait.
L’espace-temps désigne un cadre géométrique à quatre dimensions unissant les trois dimensions spatiales (longueur, largeur, hauteur) et la dimension temporelle au sein d’un continuum unique. Les événements physiques s’y produisent donc sur une structure dont la courbure varie sous l’effet de la masse et de l’énergie, guidant la trajectoire des corps.
La grande manipulation de nos données par le vide spatial
Ce serait par un effet prédit par Albert Einstein en 1915, dans sa théorie de la relativité générale, que GW231123 aurait trompé les chercheurs : l’effet de lentille gravitationnelle. Lorsque la lumière émise par une source lointaine passe à proximité d’un objet suffisamment massif (trou noir, galaxie, amas de galaxies, par exemple), elle est déviée de sa trajectoire rectiligne par la géométrie de l’espace qu’elle traverse.
Selon les lois de la relativité générale, toute masse déforme l’espace-temps autour d’elle. L’exemple du tissu, pour comprendre ce phénomène un peu abstrait, est très bien trouvé : si vous tendez une nappe et que vous y placez plusieurs balles de tennis, ajoutez au centre une boule de pétanque (plus lourde, donc) ; la nappe se creusera autour d’elle et toutes les balles alentour dévieront de leur position initiale, attirées vers le centre par la cuvette que la boule a formée dans le tissu.
L’espace-temps se comporte un peu de la même manière : un objet massif déforme sa structure au point que la lumière qui passe à proximité suit ces courbures, emprunte des chemins multiples et parvient à l’observateur amplifiée, parfois même dédoublée en images multiples d’une seule source. Un phénomène que les astronomes exploitent pour sonder les régions les plus lointaines de l’univers, mais qui s’applique également aux ondes gravitationnelles.
C’est l’hypothèse de Srashti Goyal, Héctor Villarrubia-Rojo et Miguel Zumalacárregui, auteurs de cette nouvelle étude concernant GW231123 parue le 25 août 2026 dans la revue The Astrophysical Journal Letters. À la différence des photons qui composent la lumière, les ondulations de l’espace-temps subissent des effets de diffraction et d’interférence lorsqu’elles rencontrent un objet compact dont le rayon gravitationnel est comparable à leur longueur d’onde, ce qui modifie non seulement leur amplitude mais aussi leur forme.
À cet effet de lentille s’ajoute un second phénomène de distorsion, tout aussi trompeur : le décalage vers le rouge cosmologique (appelé « redshift » en anglais), conséquence de l’expansion de l’Univers. Lui aussi impacte les ondes gravitationnelles, qui voient leur longueur d’onde s’étirer et leur fréquence diminuer, comme c’est le cas du son d’une sirène d’ambulance s’éloignant de vous, qui vous semble plus grave que celui qu’elle ne produit réellement (effet Doppler).
Des chiffres vertigineux redescendus sur terre
Ces deux amplifications, une fois combinées, expliquent, selon les auteurs pourquoi les algorithmes de LIGO ont attribué aux trous noirs de GW231123 des masses aussi extrêmes. Finalement, après de nouvelles modélisations, les chercheurs ont ramené la masse totale des deux trous noirs à 140 masses solaires ; un seuil qui ne dépasse plus les limites du « pair-instability mass gap ». Leur vitesse de rotation, que les premières analyses plaçaient dangereusement près de 90 % de la limite théorique, redescendent elles aussi à des niveaux parfaitement explicables par nos modèles théoriques.
L’équipe n’est toutefois pas encore en mesure d’affirmer pleinement que GW231123 constitue la première onde gravitationnelle influencée par l’effet de lentille gravitationnelle. « La nature de la lentille reste un mystère majeur dans notre analyse, car des lentilles compactes individuelles de 100 à 1 000 masses solaires devraient être extrêmement rares », reconnaît Zumalacárregui. Il aurait donc fallu qu’un objet de cette catégorie, déjà très difficile à trouver, se trouve précisément sur la trajectoire exacte du signal pour le dévier.
Pour lever le doute, il faudra patienter jusqu’à l’arrivée de la prochaine génération de détecteurs, plus sensibles, qui sauront faire la différence entre une onde gravitationnelle vierge, et une autre qui aura été déformée par une lentille gravitationnelle. Si l’hypothèse de l’équipe venait à se vérifier, nous pourrions ainsi retourner cet effet de l’espace-temps à notre avantage : détection de fusions de trou noirs se produisant dans des recoins reculés du cosmos, calcul plus précis de la vitesse de l’expansion de l’Univers, ou même nous aider dans la grande traque de la matière noire. De nombreuses applications sont envisageables, mais nous devrons attendre au moins jusqu’à la décennie suivante ou celle d’après (avec l’arrivée de Cosmic Explorer aux États-Unis et de l’Einstein Telescope en Europe, par exemple) pour confirmer ou infirmer cette piste théorique.
