Les trous noirs restent l’un des phénomènes les plus énigmatiques de l’astrophysique. Bien que le terme « trou noir » suggère un vide, ces objets sont des régions de l’espace-temps où la matière est compressée en une singularité – un point infiniment dense – tout en se dissimulant simultanément de tout rayonnement électromagnétique. Nous les détectons en observant leur influence gravitationnelle sur les étoiles, les gaz et la lumière proches.
Les trous noirs sont traditionnellement regroupés en trois régimes de masse :masse stellaire, masse intermédiaire (IMBH) et supermassive. La masse des trous stellaires varie de quelques à plusieurs centaines de masses solaires, tandis que les trous noirs supermassifs peuvent peser entre des millions et des milliards de masses solaires. La catégorie intermédiaire – environ 100 à plusieurs centaines de milliers de masses solaires – n’a pas pu être confirmée, ce qui lui a valu le surnom de « chaînon manquant » des trous noirs. Leur rareté vient de la difficulté de détecter les ondes gravitationnelles basse fréquence qu'elles émettent lors des fusions.
Dans une publication récente dans Astrophysical Journal Letters, une équipe dirigée par le professeur adjoint Karan Jani de l'Université Vanderbilt a réexaminé les données des observatoires d'ondes gravitationnelles LIGO et Virgo. En appliquant des modèles de forme d'onde de pointe, l'outil d'inférence bayésien RIFT et des techniques d'apprentissage automatique pour supprimer le bruit de fond, les chercheurs ont identifié cinq événements (sur onze fusions candidates enregistrées lors de la troisième période d'observation) cohérents avec la création de trous noirs de masse intermédiaire situés entre 2,5 milliards et 37 milliards d'années-lumière de la Terre.
La confirmation de l’existence des IMBH fournit un aperçu essentiel de la façon dont les trous noirs se développent au fil du temps cosmique. Les détecteurs au sol actuels comme LIGO ne captent que les dernières secondes d’une fusion, ce qui limite notre compréhension de la dynamique de pré-coalescence qui produit des systèmes de masse intermédiaire. La nouvelle analyse démontre qu'avec des modèles raffinés et une réduction avancée du bruit, il est possible d'extraire ces signaux faibles à partir des données existantes.
À l’avenir, les observatoires spatiaux prévus, tels que l’antenne spatiale à interféromètre laser (LISA), dont le lancement est prévu dans les années 2030, fonctionneront à des fréquences plus basses et seront capables de suivre les fusions IMBH sur des périodes prolongées. Les détecteurs lunaires, exempts des perturbations sismiques et atmosphériques de la Terre, sont également explorés comme plates-formes complémentaires pour sonder les ondes gravitationnelles basse fréquence.
En découvrant ces insaisissables trous noirs de masse intermédiaire et en traçant des voies de détection future, les astronomes comblent une lacune de longue date dans notre connaissance de l'évolution des trous noirs, depuis les restes des premières étoiles jusqu'aux géantes supermassives qui ancrent les galaxies.