Фигурист скользит по льду, постепенно приближаясь к центру арены. Лёгкий поворот корпуса — и плавная спираль ломается, траектория становится непредсказуемой. Нечто похожее происходит, когда маленькая чёрная дыра с собственным вращением (спином) падает на гигантскую чёрную дыру. Долгое время считалось, что для такого хаоса нужен нереально быстрый спин. Новое исследование показало: хаос устойчиво возникает и при самых обычных, астрофизически правдоподобных значениях.
Ключевой результат работы — метод, позволяющий услышать этот хаос в гравитационных волнах. Когда орбита остаётся регулярной, волны от неё напоминают чистый музыкальный аккорд: несколько ярких, чётко разделённых частотных пиков. Хаотическое же движение создаёт шумный, густой спектр, где между основными пиками появляется множество дополнительных, более слабых. Авторы ввели меру «локальной спектральной плоскости» — что-то вроде проверки того, насколько ровно энергия распределена между соседними частотами. У хаотических сигналов эта плоскостность оказалась в сотни раз выше, чем у регулярных.
Открытие важно для будущих космических детекторов вроде LISA, которые будут ловить гравитационные волны от слияний чёрных дыр в центрах галактик. Умение отличать хаос от порядка прямо по форме сигнала даст астрономам новый инструмент для измерения спинов этих невидимых объектов и проверки того, как именно работает гравитация в сильных полях. Так танец фигуриста, начавшийся с лёгкого поворота, обретает голос — и этот голос можно расшифровать.
Эффект хаоса в таких системах настолько тонок, что две почти одинаковые чёрные дыры, отличающиеся скоростью вращения всего на сотую долю процента, могут через тысячи витков оказаться в совершенно разных точках орбиты.