Des scientifiques étudiant les ondes gravitationnelles pensent avoir compris comment l'univers fabrique ses plus grands trous noirs, et spoiler : ce n'est pas l'effondrement dramatique habituel d'une étoile mourante. Au lieu de cela, ces poids lourds cosmiques semblent être des récidivistes, grandissant par collisions multiples à l'intérieur d'amas d'étoiles plus serrés qu'un métro de Tokyo aux heures de pointe.

Menée par l'Université de Cardiff, la recherche a fouillé la version 4.0 du catalogue transitoire d'ondes gravitationnelles LIGO-Virgo-KAGRA (GWTC4), qui recense 153 fusions de trous noirs fiables. L'équipe, publiant dans Nature Astronomy, s'est concentrée sur la question de savoir si les plus grands trous noirs étaient des objets de "deuxième génération" - formés lorsque des trous noirs d'étoiles mortes s'écrasent, puis fusionnent à nouveau dans des environnements stellaires denses où les étoiles sont entassées jusqu'à un million de fois plus près que dans notre voisinage solaire.

"L'astronomie des ondes gravitationnelles fait désormais plus que compter les fusions de trous noirs", a déclaré l'auteur principal, le Dr Fabio Antonini de l'Université de Cardiff. "Elle commence à révéler comment les trous noirs grandissent, où ils grandissent, et ce que cela nous dit sur la vie et la mort des étoiles massives." L'analyse a identifié deux populations distinctes de trous noirs, les plus lourds montrant un comportement de spin particulier - des rotations rapides dans des directions aléatoires, exactement ce à quoi on s'attendrait de fusions répétées dans des amas denses.

"Ce qui nous a le plus surpris, c'est à quel point les trous noirs de masse élevée se distinguent clairement en tant que population séparée", a ajouté la co-auteure, le Dr Isobel Romero-Shaw. "Contrairement aux systèmes de masse inférieure... les systèmes de masse supérieure sont cohérents avec des spins plus rapides, orientés dans des directions apparemment aléatoires. C'est la signature exacte que l'on attendrait si les trous noirs fusionnaient de manière répétée dans des amas d'étoiles denses."

L'étude renforce également les preuves d'un mystérieux "gap de masse" autour de 45 masses solaires, où des étoiles d'une certaine taille devraient exploser si violemment qu'elles ne laissent aucun trou noir derrière elles. "Les plus grands trous noirs de l'échantillon actuel semblent nous parler de la dynamique des amas, pas seulement de l'évolution stellaire", a noté Antonini. "Au-dessus d'environ 45 masses solaires, la distribution des spins change... naturellement expliqué si ces trous noirs ont déjà subi des fusions antérieures dans des amas denses."

Pour l'avenir, les chercheurs suggèrent que ces données pourraient aider à sonder la physique nucléaire à l'intérieur des étoiles massives, puisque le gap de masse d'instabilité de paire dépend des réactions dans les noyaux stellaires. "À l'avenir, les données des ondes gravitationnelles pourraient aider les scientifiques à étudier la physique nucléaire", a déclaré la co-auteure, le Dr Fani Dosopoulou. Parce que rien ne dit "physique nucléaire" comme un trou noir qui a subi de multiples accrochages cosmiques.