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Schwarze L?cher sind einzigartige Objekte in unserem Universum. Sie krümmen Raum und Zeit derart, dass kein Licht aus ihrem Nahbereich dringen kann. Wenn sich zwei Schwarze L?cher einander n?hern, kreisen sie Milliarden Jahre umeinander. Dabei strahlen sie kontinuierlich Gravitationswellen ab – ein Ph?nomen, das erstmals an Gravitationswellendetektoren wie dem Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, kurz LIGO, beobachtet wurde. Albert Einstein hatte es hundert Jahre zuvor in Berlin bereits in seiner Allgemeinen Relativit?tstheorie vorhergesagt.

Eine Forschungsgruppe unter der Leitung des theoretischen Physikers Prof. Dr. Jan Plefka von der Humboldt-Universit?t zu Berlin (HU) hat nun die Streuung von Schwarzen L?chern und Neutronensternen berechnet, die sich beobachten l?sst, wenn sie sich aufeinander zubewegen und von ihrer ursprünglichen Bahn abgelenkt werden. Das Team setzt damit neue Ma?st?be für die Modellierung dieser extremsten Ereignisse in unserem Universum. Die Berechnungen, die in Zusammenarbeit mit einem internationalen interdisziplin?ren Team und mit Hilfe von Hochleistungsrechnern durchgeführt wurden, erm?glichen eine weltweit beispiellose Pr?zision in der Vorhersage, die für das Verst?ndnis von Gravitationswellen entscheidend sind. Die Ergebnisse der Studie wurden jetzt in der Zeitschrift Nature ver?ffentlicht.

?Obwohl der physikalische Prozess der Wechselwirkung und Streuung zweier Schwarzer L?cher durch Gravitation konzeptionell einfach ist, erfordert die mathematische Beschreibung eine enorme Pr?zision“, erkl?rt Jan Plefka, Leiter der Arbeitsgruppe Quantenfeld- und Stringtheorie am Institut für Physik der HU. Unter Anwendung modernster, von der Quantenfeldtheorie inspirierter, Techniken berechnete das Team beobachtbare Gr??en wie Streuwinkel und abgestrahlte Energie.

Modellierung zeigt Relevanz geometrischer Strukturen für die Beschreibung realer Ph?nomene

Ein bahnbrechender Aspekt dieser Arbeit ist, dass bei der Berechnung der abgestrahlten Energie geometrische Strukturen, sogenannte Calabi-Yau-R?ume, auftraten. Diese sechsdimensionalen geometrischen Strukturen werden unter anderem genutzt, um die Stringtheorie zu beschreiben. Nun zeigt sich, dass diese mathematischen Konzepte nicht nur Abstraktionen, sondern auch relevant für die Beschreibung realer astrophysikalischer Ph?nomene sind.

?Dies k?nnte die grundlegende Relevanz dieser Calabi-Yau-R?ume in der Physik etablieren“, sagt Dr. Gustav Uhre Jakobsen, Mitarbeiter in der der HU-Arbeitsgruppe. ?Indem wir ihre physikalische Relevanz nachweisen, k?nnen wir uns auf spezifische Beispiele konzentrieren, die echte Prozesse in der Natur beleuchten.“ Benjamin Sauer, Doktorand in der Arbeitsgruppe, erg?nzt: ?Das unerwartete Auftreten von Calabi-Yau-Geometrien vertieft unser Verst?ndnis der Wechselwirkungen zwischen Mathematik und Physik. Diese Erkenntnisse werden die Zukunft der Gravitationswellenastronomie mitgestalten, indem sie die Vorlagen verbessern, die wir zur Interpretation von Beobachtungsdaten verwenden.“

Eine neue ?ra der Gravitationswellenastronomie

Die beispiellos pr?zisen Modellierungen der Forschungsgruppe um Jan Plefka kommen zur richtigen Zeit, um den steigenden Bedarf an hochpr?zisen theoretischen Vorhersagen zu decken. Denn Observatorien wie LIGO werden in Kürze eine neue Sensitivit?tsstufe bei der Messung von Gravitationswellen erreichen. Das gilt erst recht für die n?chste Generationen von Detektoren wie das europ?ische Einstein-Teleskop, das als unterirdisches Observatiorium entstehen soll, oder die ambitionierte ?Laser Interferometer Space Antenna, LISA, die ?im Rahmen einer internationalen Kooperation im All aufgebaut werden soll und die erstmals solche Streuprozesse messen k?nnte.

Die hohe Pr?zision der Vorhersagen ist besonders wichtig für die Erfassung von Signalen, die von Schwarzen L?chern stammen, die sich auf sehr exzentrischen Umlaufbahnen, das hei?t, sehr langen und flachen Ellipsen bewegen. Diese erzeugen Streuungsereignisse mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit und damit in einem Bereich, in dem traditionelle Annahmen über langsam bewegte Schwarze L?cher nicht mehr zutreffen.

Interdisziplin?re Zusammenarbeit und rechnergestützte Innovation

Dieser Durchbruch bei der pr?zisen Beschreibung wurde durch internationale Zusammenarbeit und den Einsatz fortschrittlicher mathematischer und rechnergestützter Methoden erm?glicht. Das Projekt nutzte Hochleistungsrechner (über 300.000 Kernstunden) am Zuse-Institut Berlin, um die Gleichungen zu l?sen, die die Wechselwirkungen von Schwarzen L?chern bestimmen. ?Die schnelle Verfügbarkeit dieser Rechenressourcen war der Schlüssel zum Erfolg des Projekts“, sagt Mathias Driesse, der als Doktorand die Computerberechnungen leitete.

Die Grundlage für die Studie wurde im Rahmen des Graduiertenkollegs ?Rethinking Quantum Field Theory“ und eines Advanced Grant (European Research Council) in der Arbeitsgruppe von Jan Plefka gelegt, wo in Zusammenarbeit mit Dr. Gustav Mogull – damals an der Humboldt-Universit?t und am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut), heute forscht er an der Queen Mary University London – der Worldline-Quantenfeldtheorie-Formalismus entwickelt wurde. Im Laufe der Zeit erweiterte sich die Forschungsgruppe um den weltweit führenden Spezialisten Dr. Johann Usovitsch, der das Software-Werkzeug für die Integral Berechnungen (KIRA) entwickelt hat und mittlerweile der HU-Arbeitsgruppe angeh?rt, sowie um die mathematischen Physiker Dr. Christoph Nega, Technische Universit?t München, und Prof. Dr. Albrecht Klemm, Universit?t Bonn, – beide führende Experten für Calabi-Yau-Mannigfaltigkeiten. ?Von der mathematischen Theorie bis zur praktischen Berechnung demonstriert diese Forschung die Synergie, die erforderlich ist, um die Grenzen unseres Wissens zu erweitern“, resümiert Jan Plefka.

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Prof. Dr. Jan Plefka

Institut für Physik, Arbeitsgruppe Quantenfeld- und Stringtheorie, der Humboldt-Universit?t zu Berlin

Tel.: 030-2093-66409
jan.plefka@hu-berlin.de

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