Durchbruch in der Gravitationswellenphysik

Visualisierung einer Gravitationswellenform der Streuung zweier Schwarzer Löcher, Foto: Jan Plefka

Streuung von Schwarzen Löchern mit beispielloser Präzision beschrieben.

Studie liefert neue Einblicke in die Gravitationswechselwirkungen zwischen aufeinandertreffenden Schwarzen Löchern und beantwortet fundamentale Fragen der Physik.

Unter der Leitung von Prof. Dr. Jan Plefka vom Institut für Physik der Humboldt-Universität zu Berlin (HU) hat ein internationales Team die Dynamik aufeinandertreffender Schwarzer Löcher mit bisher unerreichter mathematischer Präzision beschrieben. Ihre in der renommierten Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlichte Studie liefert neue Einblicke in die Gravitationswechselwirkungen zwischen diesen Objekten in unserem Universum.

Schwarze Löcher sind die Objekte mit der höchsten Massendichte in unserem Universum. Ihre gravitative Kraft ist so groß, dass selbst Licht nicht entweichen kann. Wenn sich die Schwarzen Löcher aufeinander zubewegen, werden Gravitationswellen emittiert – ein Phänomen, das Albert Einstein bereits 1915 in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben hat und das an Gravitationswellendetektoren wie dem Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, kurz LIGO, in den USA auch schon beobachtet wurde.

Kombination von Methoden ermöglicht präzise Beschreibung

Das Team von Physikern der Humboldt-Universität, dem Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam und dem CERN in der Nähe von Genf, Schweiz, hat nun die Streuung zweier Schwarzer Löcher und die durch die Anziehungskraft zwischen beiden Massen entstehenden Wechselwirkungen hochpräzise berechnet. Dafür haben sie Methoden aus der Quantenfeldtheorie und der Teilchenphysik auf das klassische Zwei-Körper-Problem der Physik übertragen. Mit dieser Vorgehensweise, die modernste mathematische Integrationstechniken und Hochleistungsrechner erforderte, konnten sie eine ganz neue Ebene der Präzision erreichen.

„Die Lösung dieses Problems markiert eine neue Grenze für Mehrschleifen-Berechnungen und effektive Feldtheorie-Techniken“, sagt Jan Plefka, Leiter der Arbeitsgruppe Quantenfeld- und Stringtheorie am Institut für Physik der HU. „Wir mussten jeden Aspekt optimieren, von der Erzeugung des Integranden bis hin zur Entwicklung neuer Integrationsmethoden“, ergänzt Benjamin Sauer, Co-Autor und Doktorand in Plefkas Arbeitsgruppe. Insgesamt mussten etwa fünfhunderttausend 16-dimensionale Integrale, die den Streuwinkel beschreiben, auf 470 Masterintegrale reduziert werden, die dann berechnet wurden.

Hochpräzise Gravitationswellenmodelle für zukünftigen Detektor im Weltall

Mit ihren Berechnungen haben die Physiker eine näherungsweise Lösung des fundamentalen Zwei-Körper-Problems geliefert und zugleich die Grundlage für fortgeschrittene Gravitationswellenmodelle gelegt, die für Detektoren der nächsten Generation benötigt werden – so wie für die Laser Interferometer Space Antenna, LISA, einen Gravitationswellendetektor, den die Europäische Weltraumorganisation im All aufbauen will. Die höhere Präzision wird extrem genaue Tests der Einstein‘schen Theorie und neue Einblicke in die Kern- und Gravitationsphysik von Doppelsystemen rotierender Schwarzer Löcher ermöglichen.

„Unsere Ergebnisse bringen die Vorhersage von Gravitationswellen, die von Begegnungen zweier Schwarzen Löchern ausgehen, auf eine noch nie dagewesene Genauigkeit“, sagt Dr. Gustav Uhre Jakobsen, Co-Autor und wissenschaftlicher Mitarbeiter in der HU-Arbeitsgruppe. „Dies eröffnet brillante neue Möglichkeiten, um Aussagen zu fundamentalen Fragen der Physik aus künftigen Gravitationswellenbeobachtungen zu extrahieren.“

Weitere Informationen

Fachartikel: Conservative Black Hole Scattering at Fifth Post-Minkowskian and First Self-Force Order: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.241402

Bild: Visualisierung einer Gravitationswellenform der Streuung zweier Schwarzer Löcher: https://www.hu-berlin.de/de/pr/medien/pressemitteilungen-pdf-datei/bildmaterial/…, Foto: Jan Plefka

Gif: Visualisierung einer Gravitationswellenform der Streuung zweier Schwarzer Löcher: https://www.hu-berlin.de/de/pr/medien/pressemitteilungen-pdf-datei/bildmaterial/…, Copyright: Jan Plefka

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Jan Plefka
Institut für Physik der Humboldt-Universität zu Berlin

E-Mail: jan.plefka@hu-berlin.de

https://www.hu-berlin.de/de/pr/nachrichten/juni-2024/nr-24627-1

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie

Von grundlegenden Gesetzen der Natur, ihre elementaren Bausteine und deren Wechselwirkungen, den Eigenschaften und dem Verhalten von Materie über Felder in Raum und Zeit bis hin zur Struktur von Raum und Zeit selbst.

Der innovations report bietet Ihnen hierzu interessante Berichte und Artikel, unter anderem zu den Teilbereichen: Astrophysik, Lasertechnologie, Kernphysik, Quantenphysik, Nanotechnologie, Teilchenphysik, Festkörperphysik, Mars, Venus, und Hubble.

Zurück zur Startseite

Kommentare (1)

Schreiben Sie einen Kommentar

  1. Sehr geehrter Prof. Dr. Jan Plefka,
    Ich war nie ein Anhänger derjenigen die glaubten, dass unser Universum mit dem so genannten Urknall begann. Das JWST hat den Beweis geliefert, dass der Urknall auf nichts weiter als einem irrsinnigen Glauben beruht. Es kann nicht sein das ein zeitlicher Rückblick an den Rand unseres bekannten Universums von ca. 800 millionen Jahren nach dem so genannten Urknall, Galaxien entdeckt, wovon man weiss, das diese mindestens 2,5 milliarden Jahre benötigen um so einen Stand zu erreichen wie wahrgenommen.
    Eine Singularität kann, wegen der unvorstellbaren Gravitationskraft, keine vergleichbare hierarchische Materienstruktur – wie von sichtbarer Materie bekannt – besitzen. Hier kann es nur rohe, elementare Materie ohne jegliche Struktur geben.
    Die kritische Masse von U-235 beträgt ca. 56 kg; die von P239, ca. 10 kg. Ich brauche Ihnen gewiss nicht weiter erläutern was passiert wenn – in beiden Fällen – diese kritischen Massen überschritten werden.
    Ich meine, ähnlich wie in den beiden zuvor genannten Fällen, dass auch eine Singularität eine gewisse kritische Masse erreichen kann. Wo diese kritische Grenze liegen mag, entzieht sich gänzlich meiner Kenntnisse. Ich denke aber das diese Grenze bei X-% Masse unseres bekannten Universums liegt. Ob X ein Wert von 10, 50, 60 oder 90% beträgt ist erst einmal bei meinen Uberlegungen völlig irrelevant. Wenn diese Grenze erreicht wird, kommt es zu einer Neuordnung dieser rohen elementaren Ur-Materie und so zu einer Teil-Wiedergeburt unseres Universums. Damit möchte ich meine Überzeugung ausdrücken, dass unser Universum immer wieder zum Teil erneuert wird.
    Würde JWST auf verschiedene Richtungen ausgerichtet, müssten auch alte Galaxien am Rand des bekannten Universums überall erscheinen. Könnte dies bestätigt werden, wäre es mögliche eine Schätzung über den neu-erschaffenen Anteil (%) zu machen.

    Mit freundlichen Grüßen,
    R.Kraft

Neueste Beiträge

Mit Digitalisierung CO2 einsparen

»SiPro« reduziert den Energieverbrauch in der Warmmassivumformung. Erst durch Umformschritte wie Freiformschmieden, werkzeuggebundenes Schmieden (Gesenkschmieden) oder Walzen erhalten zahlreiche Metallteile ihre gewünschte Form. Der Weg zum fertigen Bauteil erfordert oft…

HIV-Behandlung bei Kindern und Jugendlichen verbessern – aber richtig!

Weltweit leben etwa 2,6 Millionen Kinder und Jugendliche mit HIV, die grosse Mehrheit von ihnen in Afrika. Bei ihnen versagen Therapien deutlich häufiger als bei Erwachsenen. Fachleute gingen lange davon…

Zentraler Treiber für Entwicklung von Epithelkrebs identifiziert

Ein Signalweg namens TNF-α steuert die Umwandlung von Epithelzellen, der obersten Zellschicht von Haut und Schleimhäuten, in aggressive Tumorzellen. Schreitet eine Krebserkrankung fort, aktivieren die Zellen ihr eigenes TNF-α-Programm und…

Partner & Förderer