Чёрная дыра — это область пространства-времени, где гравитация столь сильна, что даже свет не может её покинуть. Но в её окрестностях, помимо обычного вещества, может существовать нечто неуловимое: скалярное поле — гипотетическое поле, описывающее тёмную материю через квантовые частицы с нулевым спином. Физики исследовали, как такое поле ведёт себя вблизи чёрной дыры. В отличие от вещества, обречённого упасть за горизонт событий, скалярное поле способно образовывать устойчивые сгущения — облака — прямо в искривлённом пространстве, не пересекая роковую границу.
Когда чёрная дыра вращается (её геометрия описывается решением Керра), эти облака вовлекаются в движение. Возникает резонанс: частота колебаний облака ω должна быть кратна угловой скорости горизонта дыры $Ω_H$, то есть ω = m $Ω_H$, где m — целое число. Это похоже на то, как музыкант настраивает свой инструмент, подстраиваясь под ритм гигантского вращающегося барабана, — аналогия упрощает, ведь реальная физика здесь диктуется уравнениями поля в искривлённом пространстве-времени.
Ещё более поразительная ситуация возникает в случае невращающейся чёрной дыры, описываемой решением Шварцшильда. Здесь облака замирают, превращаясь в статические комья. Они не распадаются, а неподвижно висят в пространстве, где, казалось бы, ничто не может покоиться. Исследователи также изучили аналогичные облака для потенциала, напоминающего свойства аксионов — гипотетических частиц, которые рассматриваются как кандидаты на роль тёмной материи. Возможно, именно так невидимая масса тихо накапливается у чёрных дыр, слегка искажая их гравитационный портрет.
Эти облака иногда называют «гравитационными атомами»: квантовые числа поля выстраиваются подобно электронным орбиталям.