Bildnachweis: Penn State
Wissenschaftler des Penn State haben einen neuen Meilenstein bei der Modellierung von zwei umlaufenden Schwarzen Löchern erreicht. Dieses Ereignis wird voraussichtlich starke Gravitationswellen hervorrufen. "Wir haben zum ersten Mal einen Weg gefunden, eine Umlaufbahn zweier inspirierender Schwarzer Löcher numerisch zu modellieren", sagt Bernd Bruegmann, außerordentlicher Professor für Physik und Forscher am Penn State Institute for Gravitational Physics and Geometry. Bruegmanns Forschung ist Teil eines weltweiten Bestrebens, die erste Gravitationswelle beim Rollen über die Erde zu fangen.
Ein Artikel, der diese Simulationen beschreibt, wird in der Ausgabe der Zeitschrift Physical Review Letters vom 28. Mai 2004 veröffentlicht. Das Papier wurde von Bruegmann und zwei Postdoktoranden seiner Gruppe im Penn State, Nina Jansen und Wolfgang Tichy, verfasst.
Schwarze Löcher werden durch Einsteins allgemeine Relativitätstheorie beschrieben, die eine sehr genaue Beschreibung der Gravitationswechselwirkung liefert. Einsteins Gleichungen sind jedoch kompliziert und notorisch schwer numerisch zu lösen. Darüber hinaus werfen Schwarze Löcher ihre eigenen Probleme auf. In jedem Schwarzen Loch lauert eine sogenannte Raum-Zeit-Singularität. Jedes Objekt, das zu nahe kommt, wird in die Mitte des Schwarzen Lochs gezogen, ohne dass es erneut entkommen kann, und es erfährt enorme Gravitationskräfte, die es auseinander reißen.
„Wenn wir diese extremen Bedingungen am Computer modellieren, stellen wir fest, dass die Schwarzen Löcher das numerische Gitter von Punkten verschlingen und zerreißen möchten, mit denen wir die Schwarzen Löcher approximieren“, sagt Bruegmann. "Ein einzelnes Schwarzes Loch ist bereits schwer zu modellieren, aber zwei Schwarze Löcher in der Endphase ihrer Inspiration sind aufgrund der stark nichtlinearen Dynamik von Einsteins Theorie erheblich schwieriger." Computersimulationen von Binärdateien für Schwarze Löcher neigen dazu, nach einer endlichen Zeit, die früher erheblich kürzer war als die für eine Umlaufbahn erforderliche Zeit, instabil zu werden und abzustürzen.
„Die von uns entwickelte Technik basiert auf einem Gitter, das sich zusammen mit den Schwarzen Löchern bewegt, deren Bewegung und Verzerrung minimiert und uns genügend Zeit verschafft, um eine spiralförmige Umlaufbahn umeinander zu absolvieren, bevor die Computersimulation abstürzt“, sagt Bruegmann. Er bietet eine Analogie zur Veranschaulichung der Strategie des „Co-Moving Grids“: „Wenn Sie vor einem Karussell stehen und eine Person beobachten möchten, müssen Sie Ihren Kopf weiter bewegen, um ihn beim Kreisen weiter zu beobachten. Aber wenn Sie auf dem Karussell stehen, müssen Sie nur in eine Richtung schauen, weil sich diese Person nicht mehr in Bezug auf Sie bewegt, obwohl Sie beide im Kreis herumlaufen. “
Der Bau eines sich bewegenden Netzes ist eine wichtige Neuerung in Bruegmanns Arbeit. Für Physiker zwar keine neue Idee, aber eine Herausforderung, sie mit zwei Schwarzen Löchern zum Laufen zu bringen. Die Forscher fügten außerdem einen Rückkopplungsmechanismus hinzu, um Anpassungen dynamisch vorzunehmen, wenn sich die Schwarzen Löcher entwickeln. Das Ergebnis ist ein ausgeklügeltes Schema, das tatsächlich für zwei Schwarze Löcher für etwa eine Umlaufbahn der Spiralbewegung funktioniert.
„Während die Modellierung von Wechselwirkungen mit Schwarzen Löchern und Gravitationswellen ein sehr schwieriges Projekt ist, gibt das Ergebnis von Professor Bruegmann einen guten Überblick darüber, wie wir diese Simulationsbemühungen endlich erfolgreich durchführen können“, sagt Richard Matzner, Professor an der University of Texas in Austin und Hauptforscher von die ehemalige Binary Black Hole Grand Challenge Alliance der National Science Foundation, die in den 90er Jahren einen Großteil der Grundlagen für die numerische Relativitätstheorie legte.
Abhay Ashtekar, Eberly-Professor für Physik und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik und Geometrie, fügt hinzu: „Die jüngste Simulation der Gruppe von Professor Bruegmann ist ein Meilenstein, da sie die Tür für die numerische Analyse einer Vielzahl von Kollisionen mit Schwarzen Löchern öffnet die interessantesten Ereignisse für die Gravitationswellenastronomie. “
Diese Forschung wurde durch Zuschüsse der National Science Foundation finanziert, darunter eines für das Frontier Center for Gravitational Wave Physics, das von der National Science Foundation im Penn State Institute für Gravitationsphysik und -geometrie eingerichtet wurde.
Ursprüngliche Quelle: Penn State News Release
