Der nachhallende Ring der Verschmelzungen von Schwarzen Löchern könnte dabei helfen, die Einstein-Theorie auf die Probe zu stellen

Elen11 / iStock

Mit der Anmeldung stimmen Sie unseren Nutzungsbedingungen und Richtlinien zu. Sie können sich jederzeit abmelden.

Wissenschaftler streben seit langem danach, Einsteins allgemeine Relativitätstheorie mit unserem Verständnis der Welt der Quantenmechanik in einer einheitlichen Theorie der Quantengravitation zu verbinden.

Um dieser einheitlichen Theorie näher zu kommen, müssen Wissenschaftler die Relativitätstheorie weiterhin auf die Probe stellen.

Jetzt beschreiben zwei neue Arbeiten von Wissenschaftlern am Caltech ausführlicher, wie wir die Strukturen von Schwarzen Löchern und die von ihnen erzeugten Gravitationswellen detaillierter betrachten können, um uns dem heiligen Gral der wissenschaftlichen Theorien einen Schritt näher zu bringen.

Die Wissenschaftler vom Caltech wollen Beobachtungen von Schwarzen Löchern analysieren, um kleine Abweichungen von der Allgemeinen Relativitätstheorie zu finden, die auf das Vorhandensein der Quantengravitation hinweisen könnten.

Die in Physical Review X und Physical Review Letters veröffentlichten Artikel konzentrieren sich auf die Ringe von Schwarzen Löchern. Dabei handelt es sich nicht um die charakteristischen Akkretionsscheiben von Schwarzen Löchern, sondern um den gongartigen Ring von Schwarzen Löchern, wenn diese bei einer Verschmelzung aufeinanderprallen.

„Wenn zwei Schwarze Löcher verschmelzen und ein größeres Schwarzes Loch entstehen, klingelt das endgültige Schwarze Loch wie eine Glocke“, erklärte Yanbei Chen, Professor für Physik am Caltech und Mitautor beider Studien, in einer Pressemitteilung. „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.“

Das erste der beiden neuen Papiere beschreibt eine neue einzelne Gleichung, die beschreibt, wie Schwarze Löcher auf der Grundlage spezifischer Quantengravitationstheorien klingen würden. Die Arbeit baut auf einer Gleichung auf, die vor 50 Jahren von Saul Teukolsky am Caltech entwickelt wurde und den Prozess des Verständnisses vereinfachte, wie die Raum-Zeit-Geometrie von Schwarzen Löchern beeinflusst wird.

„Wenn man alle Einstein-Gleichungen einer Verschmelzung Schwarzer Löcher lösen möchte, um sie genau zu simulieren, muss man auf Supercomputer zurückgreifen“, sagte Dongjun Li, Doktorand und Co-Leiter der neuen Arbeit. „Numerische Relativitätsmethoden sind unglaublich wichtig für die genaue Simulation von Verschmelzungen Schwarzer Löcher und sie stellen eine entscheidende Grundlage für die Interpretation von LIGO-Daten dar. Für Physiker ist es jedoch äußerst schwierig, aus den numerischen Ergebnissen direkt Intuitionen zu ziehen. Die Teukolsky-Gleichung gibt uns einen intuitiven Einblick.“ Was passiert in der Ringdown-Phase?

„Unsere neue Gleichung ermöglicht es uns, Gravitationswellen zu modellieren und zu verstehen, die sich um Schwarze Löcher ausbreiten, die exotischer sind, als Einstein vorhergesagt hat“, fuhr er fort.

Der zweite Artikel beschreibt eine Methode zur Anwendung der Dongjun-Gleichung auf Gravitationswellendaten, die vom Laser Interfermetric Gravitational-Wave Observatory (LIGO) erfasst wurden, das kürzlich seinen vierten Beobachtungslauf gestartet hat.

Die neue Methode verwendet Filter, um Merkmale des Ringings eines Schwarzen Lochs zu entfernen, die von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt werden. Auf diese Weise hoffen die Wissenschaftler, subtile Signaturen entdecken zu können, die mit der Quantengravitation zusammenhängen.

„Anfangs hatte ich Angst, dass die von meiner Gleichung vorhergesagten Signaturen unter den vielen Obertönen und Harmonischen verborgen bleiben würden. Glücklicherweise können die Filter von Sizheng alle diese bekannten Merkmale entfernen, sodass wir uns nur auf die Unterschiede konzentrieren können“, sagte Dongjun.

„Durch die Zusammenarbeit“, fügte Chen hinzu, „können die Erkenntnisse von Li und Ma die Fähigkeit unserer Gemeinschaft, die Schwerkraft zu erforschen, erheblich steigern.“