Zwei unabhängige Teams haben gezeigt, dass Gravitationswellen, die von den verzerrten Überresten von Verschmelzungen von Schwarzen Löchern ausgehen, mit sich selbst interagieren sollten. Durch die Einbeziehung dieser nichtlinearen Effekte in ihre Modelle führte ein Team durch Keefe Mitman am Caltech, fanden heraus, dass sie Gravitationswellensignale von simulierten „klingelnden“ Schwarzen Löchern bis zu 100-mal genauer replizieren konnten als frühere Ansätze. Das andere Team kam zu einem ähnlichen Ergebnis und wurde von geführt Mark Ho-Yeuk Cheung an der Johns Hopkins University
Nach der gewaltsamen und energetischen Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher muss sich das entstehende verzerrte Schwarze Loch schnell in einen Gleichgewichtszustand bringen. Um diesen stationären Zustand zu erreichen, setzt das Objekt kolossale Energiemengen in Form von Gravitationswellen (GWs) frei, in einem Prozess, der als Black Hole Ringdown bezeichnet wird.
Im Jahr 1973 wurde ein Team unter der Leitung von Saulus Teukolsky war der erste, der GWs aus Ringdown modellierte – mehr als 40 Jahre vor den ersten GWs aus verschmelzenden Schwarzen Löchern wurden festgestellt vom LIGO-Observatorium. Doch damals betrachteten Teukolsky und Kollegen nur kleine Verzerrungen in verbliebenen Schwarzen Löchern, etwas, von dem wir heute wissen, dass es keine gute Beschreibung dafür ist, was nach einer Fusion passiert.
Große Verzerrungen
„Weil Verschmelzungen von Schwarzen Löchern so heftig sind, sind die Verzerrungen des endgültigen Schwarzen Lochs oft groß“, erklärt Mitman. „Das bedeutet, dass wir mit nichtlinearen Effekten [wie] Effekten von GW rechnen sollten, die mit sich selbst interagieren, während sie sich in der Nähe des Schwarzen Lochs durch die Raumzeit ausbreiten und neue Wellen erzeugen.“
Trotzdem haben Astrophysiker bisher an der Idee festgehalten, dass nichtlineare Effekte zu klein sein müssen, um sich in beobachtbaren GW-Signalen zu zeigen. Daher haben sie bisher nur die von Teukolskys Team berechneten linearen Effekte berücksichtigt.
In einer neuen Studie verwendeten Mitman, Teukolsky und Kollegen einen fortschrittlicheren Ansatz zur Modellierung des Ringdowns von Schwarzen Löchern. Nach einem Vorschlag eines Teammitglieds Macarena Lagos an der Columbia University entwickelte das Team einen neuen Weg, um zu überlegen, wie ein Modell die Selbstinteraktion der GWs beschreiben könnte, die nach der Verschmelzung von Schwarzen Löchern emittiert werden.
Lagos erklärt: „Wir haben das GW-Modell verbessert, indem wir nichtlineare Wechselwirkungen der Schwerkraft einbezogen haben. Wir betrachteten verschiedene numerische Simulationen von Verschmelzungen von Schwarzen Löchern, die sowohl lineare als auch nichtlineare Wechselwirkungen enthalten. Wir haben dann quantifiziert, wie gut unser nichtlineares Modell die Simulationen reproduziert.“
Genaueres Modell
Wie sie vorhergesagt hatten, ermöglichte ihnen der neue Ansatz des Teams, realistische GW-Signale viel genauer als zuvor zu replizieren. „Durch die Einbeziehung dieses nichtlinearen Terms anstelle der bekannteren linearen Terme, an deren Entdeckung Teukolsky mitgewirkt hat, können wir die in unseren numerischen Simulationen erzeugten GW viel genauer modellieren“, fährt Mitman fort. „Das bedeutet, dass das Klingeln ein nichtlinearer Prozess ist, wenn Schwarze Löcher in einen stabilen Zustand übergehen.“
Durch die Analyse verschiedener Simulationen von Verschmelzungen von Schwarzen Löchern fanden die Forscher heraus, dass nichtlineare Effekte bis zu 10 % der GW-Signale ausmachen können – was sie weitaus einflussreicher macht, als frühere Studien angenommen hatten. Insgesamt bedeutete dies, dass das Team Ringdowns von Schwarzen Löchern etwa 100-mal genauer modellieren konnte als rein lineare Ansätze.
Beim Testen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie mit Gravitationswellen ist Vorsicht geboten
Das von Cheung geleitete Team kam zu ähnlichen Schlussfolgerungen, und zusammengenommen könnten die Ergebnisse wichtige Auswirkungen auf die Fähigkeit von Astronomen haben, die inneren Strukturen von Schwarzen Löchern anhand der GW-Signale zu untersuchen, die sie während des Ringdowns aussenden. „Um physikalische Informationen aus GW-Signalen zu extrahieren, brauchen wir sehr genaue analytische Modelle, die Eigenschaften der Schwarzen Löcher mit Merkmalen im detektierten Signal verbinden“, erklärt Lagos. „Unsere Ergebnisse bedeuten, dass die nichtlinearen Effekte tatsächlich wichtig sind und in zukünftige GW-Erkennungen einbezogen werden müssen.“
Mit einem besseren Verständnis, dass Ringdown von Natur aus nichtlinear ist, hofft das Team, dass ihre Entdeckungen Astronomen bald helfen könnten, das rätselhafte Verhalten von Schwarzen Löchern besser zu erklären.
Am wichtigsten ist vielleicht, dass sie Forschern auch ermöglichen könnten, Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie – die die Dynamik von Schwarzen Löchern regelt – in den extremsten Umgebungen zu testen, die der Astrophysik bekannt sind. Mit der Präzision, die die Modelle des Teams bieten, könnten sich diese Tests endlich als streng genug erweisen, um Einsteins Theorie an ihre Grenzen zu bringen – was neue und aufregende Physik entstehen lassen könnte. Astrophysiker müssen jedoch warten, bis die nächste Generation von GW-Observatorien ans Netz geht, da die derzeitigen LIGO-Virgo-Anlagen voraussichtlich nicht in der Lage sein werden, nichtlineare Effekte zu erkennen.
Die Forschung ist beschrieben in Physics Review Letters.
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/gravitational-waves-from-merging-black-holes-go-nonlinear/
