Simulationen zeigen Folgen der Kollision mit einem Schwarzen Loch

Neue Simulationen zweier Schwarzer LöcherKollisionen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit enthüllen die mysteriöse Physik dessen, was ein Astrophysiker als „eines der heftigsten Ereignisse, die man sich im Universum vorstellen kann“ nennt.

„Es ist ein bisschen verrückt, zwei Schwarze Löcher frontal mit sehr naher Lichtgeschwindigkeit in die Luft zu jagen“, sagte Thomas Helfer, ein Postdoktorand an der Johns Hopkins University, der die Simulationen erstellt hat. „Die mit der Kollision verbundenen Gravitationswellen mögen enttäuschend aussehen, aber dies ist eines der heftigsten Ereignisse, die man sich im Universum vorstellen kann.“

Die Arbeit, die in Physical Review Letters erscheint, ist der erste detaillierte Blick auf die Folgen eines solch katastrophalen Zusammenstoßes und zeigt, wie sich ein Überrest eines Schwarzen Lochs bilden und Gravitationswellen durch den Kosmos senden würde.

Verschmelzungen von Schwarzen Löchern gehören zu den wenigen Ereignissen im Universum, die energiereich genug sind, um nachweisbare Gravitationswellen zu erzeugen, die Energie übertragen, die durch massive kosmische Kollisionen entsteht. Wie Wellen in einem Teich fließen diese Wellen durch das Universum und verzerren Raum und Zeit. Aber im Gegensatz zu Wellen, die sich durch Wasser bewegen, sind sie extrem klein und breiten sich durch die „Raumzeit“ aus, das umwerfende Konzept, das die drei Dimensionen des Raums mit der Idee der Zeit verbindet.

„Wenn eine Gravitationswelle durch mich geht, macht sie mich ein wenig dünner und ein wenig größer und dann ein wenig kleiner und ein wenig dicker“, sagte Co-Autor Emanuele Berti, ein Physiker der Johns Hopkins University. „Aber der Betrag, um den es das schafft, ist etwa 100.000 Mal kleiner als die Größe eines Atomkerns.“

Physiker haben die Wellen untersucht, die nach der Verschmelzung Schwarzer Löcher emittiert werden, indem sie die allgemeine Relativitätstheorie – Einsteins Theorie der Funktionsweise der Schwerkraft – vereinfacht haben und Gleichungen verwendet haben, die subtile, aber wichtige Gravitationseffekte der Verschmelzung ignorieren. Berti hält diesen Ansatz für voreingenommen, da er auf „linearen Näherungen“ beruht, also auf der Annahme, dass die bei der Verschmelzung erzeugten Gravitationswellen schwach sind.

Obwohl es für Schwarze Löcher nahezu unmöglich ist, bei solch extremen Geschwindigkeiten zu kollidieren, erzeugte die Simulation eines solchen Absturzes Signale, die stark genug waren, damit das Team Nichtlinearitäten oder Gravitationseffekte erkennen konnte, die mit der vereinfachten Version der Theorie nicht gefunden werden können. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Verschmelzungen von Schwarzen Löchern nicht mit linearisierten Gleichungen untersucht werden können und dass aktuelle Modelle dieser Ereignisse angepasst, wenn nicht sogar ganz geändert werden müssen.

„Die Allgemeine Relativitätstheorie ist nichtlinear, was bedeutet, dass die Gravitationswellen selbst auch mehr Gravitationswellen erzeugen“, sagte Mark Ho-Yeuk Cheung, ein Doktorand der Johns Hopkins-Physik, der die Forschung leitete.

Das Team entdeckte diese sogenannten Nichtlinearitäten auch, indem es Simulationen von zwei Schwarzen Löchern analysierte, die nach ihrer gegenseitigen Umlaufbahn verschmelzen – ein Szenario, das realistischer darstellt, was im Universum passiert. Eine Studie derselben Simulationen durch eine unabhängige Forschergruppe am Caltech erscheint ebenfalls in den heutigen Physical Review Letters und kommt zu ähnlichen Ergebnissen.

„Das ist eine große Sache, weil wir die Komplikationen nicht vergessen können, wenn wir Schwarze Löcher wirklich verstehen wollen“, sagte Cheung. „Einsteins Theorie ist ein Biest; die Gleichungen sind wirklich kompliziert.“

Zu den Autoren gehören Vishal Baibhav von der Northwestern University; Vitor Cardoso vom Niels Bohr Institut und der Universität Lissabon; Gregorio Carullo, von der Friedrich-Schiller-Universität Jena; Roberto Cotesta von Johns Hopkins; Walter Del Pozzo von der Universität Pisa; Francisco Duque von der Universität Lissabon; Estuti Shukla von der Pennsylvania State University; und Kaze Wong vom Flatiron Institute. Baibhav und Wong sind ehemalige Johns Hopkins-Studenten.

Diese Forschung wurde von der Croucher Foundation, den NSF-Zuschüssen Nr. AST-2006538, PHY-2207502, PHY-090003 und PHY-20043 sowie den NASA-Zuschüssen Nr. 19-ATP19-0051, 20-LPS20-0011 und 21-ATP21- unterstützt. 0010. Diese Arbeit wurde mit Rechenressourcen des Maryland Advanced Research Computing Center und des Texas Advanced Computing Center erstellt.

– Diese Pressemitteilung wurde ursprünglich auf der Website der Johns Hopkins University veröffentlicht