Где-то в центре галактики кружится чёрная дыра. Она не висит в пустоте — вокруг неё невидимый рой частиц тёмной материи. До сих пор этот рой описывали для неподвижных дыр, но в реальности дыры всегда вращаются. Авторы новой работы впервые построили единую картину для вращающейся чёрной дыры внутри облака произвольной плотности.

Они взяли простое сферическое решение и с помощью алгоритма Ньюмена–Яниса «раскрутили» его. Получилась чёрная дыра, похожая на керровскую, но с поправкой на окружение. И тут выяснилась странная вещь. В обычной вращающейся дыре в центре прячется сингулярность — точка, где законы физики ломаются. Но если профиль тёмной материи достаточно пологий (показатель γ меньше или равен двум), эта катастрофа кривизны исчезает. Пространство-время остаётся гладким даже в сердцевине.

Дальше авторы изучили, как тёмная материя влияет на спектр колебаний вокруг дыры. Для этого они «поселили» рядом с дырой пробное скалярное поле — что-то вроде вездесущего фона из лёгких частиц. Оказалось, что облако тёмной материи работает как прижимная пружина: чем оно плотнее или чем острее его центральный пик, тем сильнее частицы привязаны к дыре и тем быстрее теряют энергию.

Самый яркий эффект касается сверхизлучения. Вращающаяся дыра может отдавать энергию волнам, усиливая их, — как качели, которые раскачиваются от ваших движений. Но тёмная материя сужает «окно» для этого усиления и снижает его пик. Плотное гало глушит сверхизлучение, словно шумоподавитель. А если дыра купается в тепловом поле частиц, то эффективность отбора энергии падает ещё сильнее при высоких температурах и острых профилях плотности. Прохладное, рыхлое облако вокруг дыры — лучший помощник для извлечения энергии.