Свет издалека огибает чёрную дыру, как велосипедист — крутой поворот. Чуть ближе — и он уже наматывает круги по невидимой сфере из фотонов. Такая сфера есть у каждой чёрной дыры, но обычно она шаткая: малейший толчок — и свет улетает прочь или падает внутрь.

Авторы работы рассмотрели чёрные дыры с «волосами» — так называют дополнительное скалярное поле, которое описывается параметром кривизны Q. Такие объекты возникают в теориях, расширяющих общую теорию относительности. Учёные вывели точные формулы для радиуса фотонной сферы и её устойчивости. Выяснилось, что почти всегда она остаётся неустойчивой. Но есть исключение: когда Q в точности равно минус удвоенной массе дыры, на самом горизонте событий возникает устойчивое кольцо для света.

Такое кольцо работает как бездонный колодец для частиц: свет и сверхбыстрые частицы могут бесконечно долго кружить прямо по горизонту, смещаясь в красную сторону до нулевой энергии. Это похоже на застывшую рябь на воде — движение есть, а волна никуда не бежит.

Затем физики проверили, что будет при лобовых столкновениях частиц, падающих на такую дыру. Оказалось, что энергия в центре соударения растёт неограниченно по мере приближения к горизонту — так называемый эффект Банадоса–Силка–Веста. Формула проста: энергия столкновения обратно пропорциональна корню из расстояния до горизонта. В крайнем состоянии, когда горизонт и фотонная сфера совпадают, это расстояние можно сделать сколь угодно малым.

Так «волосатая» чёрная дыра в крайнем режиме превращается в идеальную ловушку — и для света, и для вещества. Свет, закружившийся у горизонта, уже не вырвется, но и не упадёт, отмечая собой границу, где пространство и время меняются ролями.