Il existe des zones interdites dans l’univers, des intervalles de masse où la physique stellaire affirme qu’aucun trou noir ne devrait jamais naître. Et pourtant, l’un de ces objets proscrits a bel et bien été repéré, capté sous la forme d’un infime frisson dans l’espace-temps, à peine perceptible, et qui n’a duré qu’une fraction de seconde. Ce signal fugace, baptisé GW190521, a mis sens dessus dessous une partie de ce que l’on pensait savoir sur la mort des étoiles massives. Retour sur une détection qui continue de faire parler d’elle dans la communauté astrophysique.

Une fraction de seconde qui ne devrait pas exister

Le 21 mai 2019, les détecteurs de la collaboration LIGO-Virgo ont enregistré un signal étonnamment bref, à peine un dixième de seconde. À l’échelle des ondes gravitationnelles, où les signaux s’étirent parfois sur de longues secondes, voire davantage, cette brièveté aurait presque pu passer pour une anomalie technique. Mais les équipes scientifiques ont rapidement compris qu’il s’agissait bien d’un événement cosmique authentique, et non d’un artefact instrumental.

Ce fameux signal, référencé sous le nom de GW190521, correspond à la fusion violente de deux trous noirs. Le premier pesait environ 66 masses solaires, un chiffre déjà conséquent mais qui reste dans les clous de ce que la théorie autorise. Le second, en revanche, affichait environ 85 masses solaires, et c’est précisément là que les choses se compliquent sérieusement pour les astrophysiciens.

85 masses solaires : le nombre interdit par la théorie

Pour comprendre pourquoi ce chiffre pose problème, il faut se pencher sur ce que les scientifiques appellent l’intervalle d’instabilité de paires. Selon les modèles établis, un astre en fin de vie dont la masse se situe environ entre 65 et 120 masses solaires ne devrait tout simplement pas pouvoir s’effondrer en trou noir. La raison est aussi élégante que radicale : à ces masses, le cœur stellaire devient si chaud que les photons gamma qu’il produit se transforment spontanément en paires électron-positron. Ce phénomène provoque une chute brutale de pression interne, qui déclenche une explosion si violente que l’étoile est littéralement pulvérisée, sans laisser le moindre résidu compact derrière elle.

Autrement dit, dans cette fourchette de masse, la nature est censée tout détruire plutôt que de créer un trou noir. Or, le compagnon de 85 masses solaires impliqué dans GW190521 se trouve exactement au cœur de cette zone théoriquement vide. Sa simple existence contredit donc un pan entier de la physique stellaire classique, ce qui explique pourquoi cette détection a immédiatement suscité une attention particulière au sein de la communauté scientifique.

Le mystère de la fabrication d’un monstre impossible

Face à cette incohérence apparente, plusieurs hypothèses circulent pour expliquer comment un tel objet a pu se former. La première piste, sans doute la plus intrigante, évoque l’existence de trous noirs primordiaux. Ces objets hypothétiques ne seraient pas issus de l’effondrement d’une étoile, mais se seraient formés directement dans les tout premiers instants de l’univers, à une époque où la matière était si dense que des poches pouvaient s’effondrer sur elles-mêmes sans passer par le cycle de vie stellaire habituel.

Une seconde hypothèse, tout aussi séduisante, suggère que le trou noir de 85 masses solaires ne serait pas né d’un effondrement stellaire direct, mais résulterait lui-même d’une fusion antérieure entre deux trous noirs plus petits. Un peu à la manière de poupées russes cosmiques, cet objet aurait ainsi grandi par étapes successives, contournant discrètement l’interdit théorique en évitant simplement de passer par la case effondrement stellaire classique.

Le chaînon manquant enfin détecté : ce que change GW190521

Au-delà de l’anomalie qu’il représente, l’événement GW190521 a également livré un résultat historique. La fusion des deux trous noirs a donné naissance à un objet final d’environ 142 masses solaires, une masse qui le classe directement parmi les trous noirs de masse intermédiaire, cette catégorie mystérieuse comprise entre 100 et 100 000 masses solaires. Jusqu’alors, ces objets n’avaient été repérés qu’indirectement, via des observations électromagnétiques. Avec GW190521, il s’agit de la toute première fois qu’un trou noir de cette gamme est détecté grâce aux ondes gravitationnelles.

Ce résultat, publié dans les revues Physical Review Letters et Astrophysical Journal Letters, avec un communiqué conjoint du CNRS/IN2P3 et de l’observatoire Virgo/EGO, comble ainsi un vide observationnel qui persistait depuis des années. Le trou noir final observé demeure d’ailleurs, à ce jour, le plus massif jamais détecté par ondes gravitationnelles, un record qui illustre à lui seul l’ampleur de cette découverte.

GW190521 rappelle ainsi que l’univers ne se laisse pas toujours enfermer dans les cases que l’on a soigneusement dessinées pour lui. Entre trous noirs primordiaux et fusions en cascade, les astrophysiciens disposent désormais de nouvelles pistes pour percer le mystère de cette masse interdite. Une chose est certaine : cette vibration d’un dixième de seconde a ouvert une brèche dans nos certitudes, et il ne fait aucun doute que d’autres détections viendront, dans les années à venir, éclairer un peu plus ce coin d’ombre cosmique.