Согласно теореме об отсутствии «волос», устройство чёрной дыры описывается всего тремя параметрами: массой, вращением и электрическим зарядом. Если сжать любой объект — радиоактивные отходы, старые налоговые декларации или массивное облако гелия — до состояния чёрной дыры, вся информация о его атомной структуре исчезнет. Именно эту простоту и подразумевает теорема, названная в честь Джона Уилера, который сравнил её с математической теоремой о «волосатом» шаре. Уилер утверждал, что горизонт событий чёрной дыры не имеет уникальных особенностей, поэтому «у чёрных дыр нет волос».
Однако строгого доказательства теоремы не существует. Общая теория относительности подтверждает «безволосость» только для стационарных чёрных дыр, тогда как при слияниях картина усложняется. Новое исследование, о котором рассказывает Brian Koberlein, показывает: если реальные чёрные дыры нарушают теорему, это проявится в гравитационных волнах, возникающих при их слиянии.
Авторы работы сравнили стандартную модель с несколькими альтернативными. Одна из них — чёрная дыра Хейворда, предложенная Шоном Хейвордом для устранения сингулярностей из уравнений. Она следует общей теории относительности, но предполагает, что материя достигает несингулярного квантового состояния. Поскольку строгая сингулярность отсутствует, нет и строгого горизонта событий, а значит, теорема об отсутствии «волос» к таким объектам неприменима. Другой рассмотренный вариант — чёрная дыра Бардина, названная в честь Джеймса Бардина, известного работами по термодинамике чёрных дыр. Если чёрные дыры излучают, как предсказывал Стивен Хокинг, они подчиняются законам термодинамики. Чёрная дыра Бардина обладает электромагнитной структурой излучения, то есть имеет «волосы».
Исследователи рассчитали, что произойдёт при слиянии пары чёрных дыр Хейворда и пары чёрных дыр Бардина, а затем сопоставили результаты со слиянием стандартных чёрных дыр. Выяснилось, что каждая модель обладает уникальной сигнатурой затухания: частота и скорость затухания кольцевых колебаний различаются. Кроме того, анализ затухания позволяет изучать структуру пространства-времени в области горизонта — является ли она истинным вакуумом, как предсказывает общая теория относительности, или в ней проявляются квантовые флуктуации.
Современные обсерватории гравитационных волн пока недостаточно чувствительны, чтобы уловить эти различия, но ситуация может измениться с появлением новых инструментов. Как отмечают авторы, слияния чёрных дыр способны рассказать гораздо больше, чем просто о массе, вращении и зарядах участвующих объектов. Результаты опубликованы в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.