Hinweise auf „Quantengravitation“ könnten sich in den Liedern von Schwarzen Löchern verbergen

Von den vier Grundkräften der Physik ist die Schwerkraft diejenige, mit der wir im Alltag am besten vertraut sind, aber sie ist auch die einzige, die derzeit nicht durch die Quantenphysik erklärt werden kann. Jetzt haben Wissenschaftler einen Plan entworfen, um im Kosmos nach Anzeichen der Quantengravitation zu suchen, indem sie dem „Klingeln“ kollidierender Schwarzer Löcher lauschen.

Drei der vier Grundkräfte – Elektromagnetismus sowie die schwachen und starken Kernkräfte – können als Felder beschrieben werden und werden von bestimmten Teilchen getragen. Elektromagnetismus wird beispielsweise von Photonen getragen und erzeugt elektrische und magnetische Felder.

Die Schwerkraft kann jedoch nicht auf diese Weise erklärt werden. Das beste Modell, das wir haben, ist derzeit Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, aber in bestimmten Situationen – etwa in der Nähe von Schwarzen Löchern – bricht diese Theorie zusammen, was darauf hindeutet, dass sie unvollständig ist. Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftler nach einer Theorie der Quantengravitation, die die Kraft mithilfe der Quantenmechanik erklären könnte, die von einem hypothetischen Teilchen namens Graviton getragen wird, doch bisher fehlen uns Beweise.

Nun haben zwei neue Studien dargelegt, wie Astrophysiker in den kommenden Jahren nach Hinweisen suchen könnten. Gravitationswellen sind Wellen im Gefüge der Raumzeit, die durch katastrophale Ereignisse wie Kollisionen zwischen Schwarzen Löchern und/oder Neutronensternen erzeugt werden und von Observatorien wie LIGO nachweisbar sind. Das Team zeigte, dass die „Töne“ dieser Kollisionen auf eine Physik hinweisen könnten, die nicht ganz mit den aktuellen Modellen übereinstimmt.

„Wenn zwei Schwarze Löcher verschmelzen und ein größeres Schwarzes Loch entstehen, klingelt das endgültige Schwarze Loch wie eine Glocke“, sagte Yanbei Chen, Co-Autor beider Studien. „Die Qualität des Klingelns oder seine Klangfarbe kann sich von den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie unterscheiden, wenn bestimmte Theorien der Quantengravitation korrekt sind. Unsere Methoden sind darauf ausgelegt, nach Unterschieden in der Qualität dieser Klingelphase zu suchen, wie etwa den Harmonischen und.“ Obertöne zum Beispiel.“

Die erste Studie stellt eine neue Gleichung vor, die beschreibt, wie Schwarze Löcher nach verschiedenen Quantengravitationstheorien klingen würden. Sie basiert auf einer Gleichung, die erstmals in den 1970er Jahren vom theoretischen Physiker Saul Teukolsky entwickelt wurde. In der zweiten Studie beschreibt das Team, wie die neue Gleichung auf von LIGO erfasste Daten angewendet werden kann, um Hintergrundgeräusche herauszufiltern.

Da LIGO nach einer dreijährigen Upgrade-Pause erst kürzlich wieder in Betrieb genommen wurde, sollten wir bald in der Lage sein, die Idee der Quantengravitation auf die Probe zu stellen.

Die Forschung wurde in den Fachzeitschriften Physical Review X und Physical Review Letters veröffentlicht.

Quelle: Caltech