Trous noirs : et s'ils gonflaient avec l'Univers ?

Trois trajectoires, une seule survit à la physique

Le résultat tient en une phrase : dans un univers qui s'étend, un trou noir ne peut pas rester figé, et il ne peut pas suivre un autre rythme que celui du cosmos. Les auteurs énumèrent les destins possibles de son horizon, cette frontière au-delà de laquelle même la lumière ne fuit pas, et les éliminent un à un.

Le détail qui rend la démonstration solide : elle n'utilise aucune solution particulière des équations d'Einstein. Juste la géométrie de l'espace-temps et des hypothèses physiques raisonnables. Elle ne dépend donc ni du modèle exact du trou noir, ni de son environnement, ni de son histoire. Difficile de contourner un résultat qui ne repose sur rien de contingent.

L'illusion du trou noir figé

Pourquoi fallait-il une démonstration pour ça ? Parce que les théoriciens décrivent les trous noirs depuis plus d'un siècle avec le même raccourci : la solution de Schwarzschild, un trou noir isolé, immobile, posé dans un vide infini et éternel. Les calculs y sont limpides. L'hypothèse, elle, est fausse : l'Univers n'est ni vide ni statique.

En 2024, les deux mêmes auteurs avaient déjà serré la vis. Un horizon d'événement, la frontière théorique définie pour l'éternité du trou noir, ne peut pas rester immobile dans un univers qui change : la relativité générale le transforme en singularité nue, un point de densité infinie exposé à la vue de tous, ce qu'elle interdit en principe. Pour décrire un trou noir qui évolue, on utilise donc l'horizon apparent : la même frontière, mais mesurée ici et maintenant, l'outil des fusions de trous noirs que LIGO traque depuis 2015.

Faraoni et Rinaldi posent alors la question qui manquait : ce rayon suit-il l'expansion plus vite, moins vite, ou au même rythme ? Leur réponse mathématique est sans appel : toute trajectoire autre que le couplage exact mène à un paradoxe. Un horizon comobile se comporte comme un radeau lâché au milieu d'une rivière : après quelques soubresauts, il suit le courant, ni plus vite ni moins vite.

Le casse-tête des géants prématurés

Pourquoi ce résultat tombe-t-il à pic ? Parce que le télescope James Webb met les théoriciens au défi depuis 2022 : il repère des trous noirs supermassifs, des millions à des milliards de masses solaires, dès les premières centaines de millions d'années de l'Univers. Le cas le plus frappant s'appelle UHZ1 : à 13,2 milliards d'années-lumière de nous, Chandra et Webb y ont vu un trou noir de 10 à 100 millions de masses solaires, 470 millions d'années seulement après le Big Bang. Sa masse rivalise avec celle de toutes les étoiles de sa galaxie réunies.

Le problème tient à la nourriture. Un trou noir qui avale du gaz voit ce gaz chauffer et briller, et sa propre lumière repousse le gaz qui suit. Au-delà d'un certain rythme d'engouffrement, la lumière l'emporte et coupe le robinet : c'est la limite d'Eddington, la vitesse d'absorption maximale d'un trou noir qui se nourrit. À ce plafond, bâtir un géant prend des milliards d'années. L'Univers jeune n'en avait pas.

Les pistes standard font travailler l'astrophysique : des graines lourdes nées de l'effondrement direct de nuages de gaz colossaux, ou des phases d'engouffrement au-delà de la limite d'Eddington. La proposition de Faraoni et Rinaldi ajoute une option différente, un moteur qui ne dépend pas de l'environnement : si la masse du trou noir suit le facteur d'échelle, il suffit de la plonger dans une phase d'expansion fulgurante pour la voir grimper. C'est exactement le cas de l'inflation, la croissance quasi exponentielle des tout premiers instants de l'Univers. Les auteurs y voient un mécanisme possible pour fabriquer des trous noirs primordiaux, formés avant les premières étoiles, bien plus gros que prévu.

L'idée d'un couplage entre trous noirs et expansion n'est pas neuve. En 2023, une équipe avait comparé les masses des trous noirs supermassifs de galaxies elliptiques rouges, des galaxies sans formation d'étoiles depuis des milliards d'années, à leur époque cosmique : les masses semblaient suivre le facteur d'échelle. Ce signal reste débattu, plusieurs équipes ne le retrouvent pas. Il pourrait aussi expliquer les trous noirs de 150 masses solaires que LIGO a vus fusionner, dans une zone de masses où l'évolution stellaire n'en fabrique pas. Et il fait écho aux mesures de DESI, l'instrument qui cartographie les reliques de l'Univers primordial, qui suggèrent une énergie noire évolutive.

Ce que l'hypothèse ne dit pas encore

Les auteurs posent eux-mêmes les limites. Leur démonstration traite un trou noir sphérique sans rotation, alors que les trous noirs réels tournent, parfois très vite : l'extension aux objets rotatifs est attendue, mais reste à faire. L'horizon apparent, leur outil de mesure, dépend du point de vue de l'observateur : c'est le prix des frontières qui évoluent, et les découpages raisonnables de l'espace-temps tombent ici d'accord.

Surtout, ils ne revendiquent pas la solution du casse-tête. La démonstration établit une nécessité de principe, le couplage. Elle ne dit rien des échelles de temps précises, qui dépendront de chaque scénario, ni de la part exacte que ce mécanisme prendrait à la croissance des géants primitifs. Le verdict viendra des observations : les populations de trous noirs aux différentes époques de l'Univers, mesurées par Webb et ses successeurs, trancheront.

Pour aller plus loin

• Les notions clés : le trou noir, le trou noir supermassif et la galaxie dans notre glossaire.
• L'expansion de l'Univers se mesure aussi avec les étoiles qui explosent : notre article sur le catalogue Unite et l'énergie noire variable, et le télescope qui chasse ces géants primitifs : James Webb.
• Envie de lever les yeux ce soir ? Repérez les galaxies avec notre carte du ciel interactive, puis préparez vos nuits avec notre guide d'observation.
• Les sources de cet article : le preprint sur arXiv de Faraoni et Rinaldi (21 août 2026) et la page photo Chandra de UHZ1 pour les observations qui nourrissent le casse-tête.