Физики из Университета Нагои предложили новый способ проверить одну из самых известных идей о чёрных дырах: действительно ли у них нет никаких «волос», то есть дополнительных свойств помимо массы и вращения. Метод ищет такие признаки в затухающем гравитационном сигнале после слияния чёрных дыр и потенциально позволяет отличить обычную чёрную дыру от объекта, окружённого необычной материей или подчиняющегося иной физике.
Согласно общей теории относительности, изолированная астрофизическая чёрная дыра после успокоения должна описываться практически только массой и угловым моментом. Электрический заряд формально тоже входит в классическое описание, однако у реальных астрофизических чёрных дыр значительный заряд быстро нейтрализуется. Такое представление известно как теорема об отсутствии волос.
Проверять теорему можно после столкновения двух чёрных дыр. Образовавшийся объект некоторое время колеблется и испускает гравитационные волны, амплитуда которых постепенно уменьшается. Такой этап называют ringdown, а сам сигнал напоминает затухающий звон колокола.
Для обычной вращающейся чёрной дыры частоты таких колебаний и скорость их затухания определяются массой и вращением. Дополнительная материя возле горизонта или отклонения от общей теории относительности способны немного изменить этот спектр. Проблема заключалась в том, что разные гипотетические виды «волос» воздействуют на сигнал по-разному, поэтому каждую модель приходилось рассматривать отдельно.
Авторы новой работы вывели более общий способ вычислять такие изменения. В математической модели дополнительные «волосы» представлены как небольшая добавка анизотропной материи к стандартным чёрным дырам Шварцшильда и Керра. Исследователи связали характеристики движения света около чёрной дыры с её квазинормальными модами, то есть характерными частотами затухающего гравитационного звона.
Расчёты показали важную особенность: дополнительная материя меняет частоту колебаний и скорость затухания не одинаково. Соотношение между двумя изменениями зависит от количества вещества и распределения давления вокруг чёрной дыры. По мнению авторов, характер такого сдвига может не только указать на присутствие «волос», но и дать информацию о свойствах породившей их материи.
Для вращающихся чёрных дыр появляется ещё один различимый эффект. Свет, движущийся по направлению вращения, и свет, движущийся против него, ведут себя по-разному. Расчёты показывают, что дополнительные структуры аналогичным образом по-разному меняют частоты и время затухания соответствующих режимов. Конкретная картина зависит от предполагаемого типа материи.
Подход проверили на трёх известных теоретических моделях и получили универсальные формулы, позволяющие рассчитывать отклонения от спектра чёрных дыр Шварцшильда и Керра. Подробная версия исследования впервые появилась в марте 2026 года, а к концу июля прошла несколько обновлений.
Пока речь идёт только о теоретическом инструменте. Исследователи не обнаружили «волосы» у реальной чёрной дыры и не нашли нарушения общей теории относительности. Напротив, самые точные современные наблюдения пока согласуются со стандартной моделью.
Хорошим примером стал сигнал GW250114, зарегистрированный детекторами LIGO 14 января 2025 года. Сигнал оказался самым сильным гравитационно-волновым событием такого типа на момент анализа и позволил различить несколько компонентов послеслияния. Их частоты и время затухания совпали с предсказаниями для вращающейся чёрной дыры Керра в пределах точности измерений.
Новый метод предназначен прежде всего для будущих наблюдений, когда детекторы смогут измерять ringdown значительно точнее. Если частоты и затухание когда-нибудь начнут систематически расходиться с расчётами для обычной чёрной дыры, предложенные формулы помогут определить, связано ли расхождение с окружающей материей, дополнительной структурой возле горизонта или возможным отклонением от общей теории относительности.
