Durchbruch in der Gravitationswellenphysik: Streuung von Schwarzen L?chern mit beispielloser Pr?zision beschrieben
Unter der Leitung von Prof. Dr. Jan Plefka vom Institut für Physik der Humboldt-Universit?t zu Berlin (HU) hat ein internationales Team die Dynamik aufeinandertreffender Schwarzer L?cher mit bisher unerreichter mathematischer Pr?zision beschrieben. Ihre in der renommierten Zeitschrift Physical Review Letters ver?ffentlichte Studie liefert neue Einblicke in die Gravitationswechselwirkungen zwischen diesen Objekten in unserem Universum.
Schwarze L?cher sind die Objekte mit der h?chsten Massendichte in unserem Universum. Ihre gravitative Kraft ist so gro?, dass selbst Licht nicht entweichen kann. Wenn sich die Schwarzen L?cher aufeinander zubewegen, werden Gravitationswellen emittiert - ein Ph?nomen, das Albert Einstein bereits 1915 in seiner Allgemeinen Relativit?tstheorie 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 erm?glicht pr?zise Beschreibung
Das Team von Physikern der Humboldt-Universit?t, dem Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam und dem CERN in der N?he von Genf, Schweiz, hat nun die Streuung zweier Schwarzer L?cher und die durch die Anziehungskraft zwischen beiden Massen entstehenden Wechselwirkungen hochpr?zise berechnet. Dafür haben sie Methoden aus der Quantenfeldtheorie und der Teilchenphysik auf das klassische Zwei-K?rper-Problem der Physik übertragen. Mit dieser Vorgehensweise, die modernste mathematische Integrationstechniken und Hochleistungsrechner erforderte, konnten sie eine ganz neue Ebene der Pr?zision erreichen.
?Die L?sung 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“, erg?nzt 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.
Hochpr?zise Gravitationswellenmodelle für zukünftigen Detektor im Weltall
Mit ihren Berechnungen haben die Physiker eine n?herungsweise L?sung des fundamentalen Zwei-K?rper-Problems geliefert und zugleich die Grundlage für fortgeschrittene Gravitationswellenmodelle gelegt, die für Detektoren der n?chsten Generation ben?tigt werden – so wie für die Laser Interferometer Space Antenna, LISA, einen Gravitationswellendetektor, den die Europ?ische Weltraumorganisation im All aufbauen will. Die h?here Pr?zision wird extrem genaue Tests der Einstein‘schen Theorie und neue Einblicke in die Kern- und Gravitationsphysik von Doppelsystemen rotierender Schwarzer L?cher erm?glichen.
?Unsere Ergebnisse bringen die Vorhersage von Gravitationswellen, die von Begegnungen zweier Schwarzen L?chern ausgehen, auf eine noch nie dagewesene Genauigkeit“, sagt Dr. Gustav Uhre Jakobsen, Co-Autor und wissenschaftlicher Mitarbeiter in der HU-Arbeitsgruppe. ?Dies er?ffnet brillante neue M?glichkeiten, um Aussagen zu fundamentalen Fragen der Physik aus künftigen Gravitationswellenbeobachtungen zu extrahieren.“
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Fachartikel: Conservative Black Hole Scattering at Fifth Post-Minkowskian and First Self-Force Order
Bild: Visualisierung einer Gravitationswellenform der Streuung zweier Schwarzer L?cher, Foto: Jan Plefka
Gif: Visualisierung einer Gravitationswellenform der Streuung zweier Schwarzer L?cher, Copyright: Jan Plefka
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Prof. Dr. Jan Plefka
Institut für Physik der Humboldt-Universit?t zu Berlin