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GRAVITATIONSWELLEN
Präzises Modell für aufeinandertreffende Schwarze Löcher
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Humboldt Universität Berlin
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28. Juni 2024

Ein internationales Forschungsteam hat jetzt die Dynamik aufeinandertreffender Schwarzer Löcher mit bisher unerreichter mathematischer Präzision beschrieben. Die jetzt veröffentlichte Studie liefert neue Einblicke in die gravitativen Wechselwirkungen zwischen diesen Objekten und erlaubt eine präzisere Vorhersage der dabei ausgesandten Gravitationswellen.

Gravitationswellen

Visualisierung der Gravitationswellenform bei der Streuung zweier Schwarzer Löcher. Bild: Jan Plefka [Großansicht]

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.

Das Team von Physikern von der Humboldt-Universität in Berlin, dem Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam und dem CERN in der Nähe von Genf 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.

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"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 Humboldt Universität. "Wir mussten jeden Aspekt optimieren, von der Erzeugung des Integranden bis hin zur Entwicklung neuer Integrationsmethoden", ergänzt Benjamin Sauer, Doktorand in Plefkas Arbeitsgruppe. Insgesamt mussten etwa fünfhunderttausend 16-dimensionale Integrale, die den Streuwinkel beschreiben, auf 470 Masterintegrale reduziert werden, die dann berechnet wurden.

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 ESA im All aufbauen will. Die höhere Präzision wird extrem genaue Tests der Einsteinschen 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", unterstreicht auch Dr. Gustav Uhre Jakobsen, wissenschaftlicher Mitarbeiter in Plefkas Arbeitsgruppe. "Dies eröffnet brillante neue Möglichkeiten, um Aussagen zu fundamentalen Fragen der Physik aus künftigen Gravitationswellenbeobachtungen zu extrahieren."

Über ihre Ergebnisse berichtet das Team in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Physical Review Letters erschienen ist.

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siehe auch
Gravitationswellen: Besondere Kollision zweier Schwarzer Löcher - 21. April 2020
Links im WWW
Driesse, M. et al. (2023): Conservative Black Hole Scattering at Fifth Post-Minkowskian and First Self-Force Order, Phys. Rev. Lett. 132, 241402
Humboldt-Universität zu Berlin
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