Le 12 novembre 2025, les observatoires d’ondes gravitationnelles LIGO-Virgo-KAGRA ont détecté un signal différent de tous ceux qu’ils avaient observés auparavant. Désigné S251112cm, cette fusion avait une masse chirp comprise entre 0,1 et 0,87 masse solaire, bien trop légère pour être une paire de trous noirs stellaires ordinaires, et avec seulement 8 % de probabilité d’impliquer une étoile à neutrons.
Dans une étude publiée dans The Astrophysical Journal, les astrophysiciens Nico Cappelluti et Alberto Magaraggia de l’Université de Miami soutiennent que ce signal pourrait être la première preuve directe de l’existence de trous noirs primordiaux, des objets formés non pas par l’effondrement d’étoiles mais par des fluctuations de densité dans les premières fractions de seconde après le Big Bang. Et s’ils ont raison, ces trous noirs anciens pourraient représenter une part significative, sinon la totalité, de la matière noire de l’univers.
« C’est une preuve très solide que ces types de trous noirs existent », a déclaré Cappelluti. « Mais nous devrons détecter un autre signal de ce type, voire plusieurs autres, pour obtenir la confirmation irréfutable. »
Ce qui le rend inhabituel
Les trous noirs de masse stellaire se forment par l’effondrement d’étoiles massives lors de supernovae, et les plus légers trous noirs connus pèsent environ 3 à 5 masses solaires, la limite inférieure étant fixée par la physique de l’effondrement des étoiles à neutrons. Une fusion avec une masse chirp inférieure à une masse solaire n’a aucune explication astrophysique conventionnelle. Les fusions d’étoiles à neutrons sont possibles, mais l’analyse bayésienne de S251112cm ne donne qu’une probabilité de 8 % qu’une étoile à neutrons soit impliquée. Les objets sont presque certainement des trous noirs en dessous du seuil de masse d’effondrement stellaire.
Le signal a été détecté par les trois détecteurs LVK (LIGO Hanford, LIGO Livingston et Virgo) avec un facteur de cohérence log-Bayes de +6,1, une preuve solide d’un événement d’onde gravitationnelle authentique. Son taux de fausse alerte est d’environ une fois tous les 6,2 ans. La distance estimée est de 93 ± 27 mégaparsecs (environ 303 millions d’années-lumière). Aucune contrepartie kilonova crédible n’a été trouvée lors des recherches de suivi électromagnétique, ce qui est cohérent avec une fusion trou noir-trou noir.
Le cas des trous noirs primordiaux
On émet l’hypothèse que les trous noirs primordiaux se sont formés durant l’époque QCD, une transition de phase dans les premières microsecondes après le Big Bang, lorsque les quarks se sont combinés pour former des protons et des neutrons. La physique de cette transition a brièvement assoupli l’équation d’état de l’univers primordial, permettant à des régions de densité extrême de s’effondrer directement en trous noirs sur une vaste gamme de masses.
Le modèle utilisé par Cappelluti et Magaraggia, basé sur un spectre de masse étendu de Hasinger (2020) modifié par les asymétries de saveur leptonique, prédit quatre populations de masse caractéristiques : les trous noirs de masse planétaire issus de la transition électrofaible ; les trous noirs à l’échelle de Chandrasekhar autour de 1,5 masse solaire issus de l’apparition des baryons ; les trous noirs d’environ 50 masses solaires issus de la formation des pions ; et les trous noirs supermassifs issus de l’annihilation électron-positon.
S251112cm, avec sa masse chirp comprise entre 0,1 et 0,87 masse solaire, s’inscrit parfaitement dans la queue de faible masse de la population primordiale à l’échelle de Chandrasekhar.
Le modèle prédit un taux de fusion subsolaire détectable de 0,8 par an à la sensibilité O3b de LIGO. La détection unique de S251112cm donne un taux observé de 0,23 par an (avec un intervalle de confiance de 95 % de 0,012 à 1,09 par an), statistiquement cohérent avec la prédiction. Le même modèle prédit également environ 120 fusions par an dans la gamme de 3 à 200 masses solaires, ce qui correspond au taux observé par LIGO, suggérant qu’une partie des fusions de trous noirs connues de LIGO pourraient également être primordiales.
Ce que cela signifie pour la matière noire
La fraction de trous noirs primordiaux prédite par le modèle dans la gamme de masse observable (10⁻⁶ à 4 × 10⁸ masses solaires) est f_PBH = 0,339, ce qui signifie qu’environ 34 % de la matière noire dans cette fenêtre de masse pourrait être constituée de ces objets. En étendant la fonction de masse jusqu’aux échelles sub-planétaires, le modèle peut expliquer 100 % de la matière noire.
« Nos recherches indiquent que ces trous noirs primordiaux pourraient représenter une part significative, sinon la totalité, de la matière noire », a déclaré Cappelluti.
La détection fournit également une limite inférieure : à partir de ce seul événement, au moins 4 % de la matière noire dans la gamme de masse pertinente doit se présenter sous forme de trous noirs primordiaux, avec un niveau de confiance de 95 %.
Alternatives et prudence
Tout le monde n’est pas convaincu. Le signal pourrait encore être une fluctuation statistique, bien que le facteur de cohérence élevé rende cette hypothèse peu probable. Une explication alternative, le modèle de « superkilonova », où des étoiles à neutrons de masse subsolaire se forment par fragmentation dans les disques d’accrétion des collapsars lors des supernovae, a été testée dans une étude de suivi qui a trouvé une supernova de type IIb coïncidente deux jours avant S251112cm. Mais la probabilité de coïncidence fortuite est de 2 à 9 %, et les preuves ont été jugées « suggestives mais non concluantes ».
« Nous prévoyons que les trous noirs subsolaires comme celui que LIGO a peut-être observé devraient effectivement être rares, ce qui est cohérent avec la rareté de tels événements observés jusqu’à présent », a déclaré Alberto Magaraggia. « Nous prévenons que cet événement pourrait encore être révisé ou rétracté. »
Une autre détection d’une fusion de masse subsolaire similaire serait nécessaire pour confirmer l’interprétation des trous noirs primordiaux. La campagne d’observation actuelle de LIGO, O4, continue de collecter des données, et les détecteurs améliorés pourraient être suffisamment sensibles pour capturer davantage de ces signaux insaisissables.
Traduit par Lydie