Une étude, dont les résultats ont été publiés sur arxiv.org, explique, par des simulations numériques, comment des étoiles supermassives auraient pu former les trous noirs supermassifs: elles produiraient en s'effondrant d'abord deux de ces trous noirs, qui finiraient par fusionner.

Actuellement, on ne comprend pas vraiment comment se sont formés les trous noirs supermassifs occupant le cœur des galaxies. Ils ont de quelques millions à quelques milliards de masses solaires et «on pourrait croire que pendant le premier milliard d’années de l’univers observable», ils «n’étaient pas encore les monstres que l’on connaît» et qu’ils sont devenus ce qu'ils sont à partir de trous noirs beaucoup plus petits.

Cependant, les observations et les calculs indiquent qu'assez tôt dans l’histoire du cosmos, il y a dû exister «des graines de trous noirs supermassifs, de masses déjà très importantes». Dans ce contexte, les simulations présentées font intervenir les étoiles supermassives, «des astres relativistes théorisés pendant les années 1960», dont l'existence avait été postulée par Fred Hoyle et Williams Fowler en 1963 pour pouvoir contester la théorie du Big Bang.

Les calculs partent de «la formation, par effondrement de nuage de gaz dans un halo de matière noire, d’étoiles ayant des masses comprises entre 10^4 et 10^6 masses solaires». Ces astres, qui amorcent leur effondrement gravitationnel en quelques millions d’années, tournent de plus en plus vite, s’aplatissent et deviennent plus compacts. Il se forme alors «à l’intérieur deux concentrations de matière orbitant l’une autour de l’autre», qui voient leurs températures grimper.

Lorsque le seuil d’énergie correspondant à la création de paires d’électron et de positron est atteint, ces concentrations très instables «s’effondrent rapidement pour donner deux trous noirs très massifs», qui vont alors «rapidement se rapprocher l’un de l’autre, car ils perdent de l’énergie cinétique en rayonnant des ondes gravitationnelles». Ils finissent ainsi par fusionner «pour donner un trou noir qui a les bonnes propriétés pour grandir suffisamment vite dans le jeune cosmos, et rendre compte de l’existence des trous noirs supermassifs».

Comme les traces «de nombreuses fusions de trous noirs binaires issus de l’effondrement d’étoiles supermassives» doivent exister dans le fond d’ondes gravitationnelles cosmologiques, on peut envisager leur éventuelle détection par des instruments tels que Lisa.