Au cœur d'une galaxie, quelque part, tourne un trou noir. Il ne flotte pas dans le vide : autour de lui, un essaim invisible de particules de matière noire. Jusqu'à présent, cet essaim était décrit pour des trous immobiles, mais en réalité, les trous noirs tournent toujours. Les auteurs de ces nouveaux travaux ont, pour la première fois, bâti une image unifiée pour un trou noir en rotation au sein d'un nuage de densité arbitraire.
Ils ont pris une solution sphérique simple et, grâce à l'algorithme de Newman–Janis, l'ont « mise en rotation ». Ils ont obtenu un trou noir semblable à celui de Kerr, mais avec une correction due à l'environnement. Et là, une chose étrange est apparue. Dans un trou noir en rotation ordinaire, une singularité se cache au centre – un point où les lois de la physique s'effondrent. Mais si le profil de la matière noire est suffisamment plat (indice γ inférieur ou égal à deux), cette catastrophe de courbure disparaît. L'espace-temps reste lisse, même au cœur du trou.
Ensuite, les auteurs ont étudié comment la matière noire influence le spectre des oscillations autour du trou. Pour cela, ils ont « installé » à côté du trou un champ scalaire de test – une sorte de fond omniprésent de particules légères. Il s'avère que le nuage de matière noire agit comme un ressort de compression : plus il est dense, ou plus son pic central est aigu, plus les particules sont liées au trou et plus elles perdent de l'énergie rapidement.
L'effet le plus spectaculaire concerne la superradiance. Un trou noir en rotation peut céder de l'énergie aux ondes, les amplifiant – comme une balançoire qui se met à osciller sous vos poussées. Mais la matière noire rétrécit la « fenêtre » de cette amplification et en abaisse le pic. Un halo dense étouffe la superradiance, tel un réducteur de bruit. Et si le trou baigne dans un champ thermique de particules, l'efficacité du prélèvement d'énergie chute encore plus à haute température et avec des profils de densité aigus. Un nuage frais et lâche autour du trou est le meilleur allié pour extraire de l'énergie.
La superradiance des trous noirs a été prédite par Yakov Zeldovich en 1971 : un objet en rotation peut amplifier les ondes qui le frappent, en puisant dans son énergie de rotation. Pour vérifier cet effet, des expériences avec un cylindre en rotation et des ondes sonores ont été proposées.
Dans le film « Interstellar », le trou noir supermassif Gargantua est représenté sans tenir compte de l'influence de la matière noire – alors qu'elle pourrait lisser la singularité et modifier l'apparence de l'horizon.