Untersuchung der Möglichkeit, fundamentale Raumzeitsymmetrien über das Gravitationswellengedächtnis zu untersuchen

Wie die Allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt, kann der Durchgang von Gravitationswellen eine messbare Veränderung der relativen Positionen von Objekten hinterlassen. Dieses physikalische Phänomen, bekannt als Gravitationswellengedächtnis, könnte möglicherweise genutzt werden, um sowohl Gravitationswellen als auch die Raumzeit zu untersuchen.

Forscher des Gran Sasso Science Institute (GSSI) und der International School for Advanced Studies (SISSA) haben kürzlich eine Studie durchgeführt, in der sie die Möglichkeit untersuchten, das Gravitationswellengedächtnis zur Messung von Raumzeitsymmetrien zu nutzen, also grundlegenden Eigenschaften der Raumzeit, die nach bestimmten Transformationen unverändert bleiben. Ihr Artikel, veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Überprüfunglegt nahe, dass diese Symmetrien durch die Beobachtung von Verschiebung und Spingedächtnis untersucht werden könnten.

„Ich war schon lange neugierig auf das Phänomen des Gravitationswellengedächtnisses und die Verbindung der damit verbundenen Niederenergiephysik mit der Quantenmechanik“, sagte Boris Goncharov, Co-Autor des Artikels, gegenüber Phys.org. „Von Weinbergs Soft-Graviton-Theorem hörte ich zum ersten Mal während meiner Promotion von Prof. Paul Lasky an der Monash University in Australien, als wir über das Gravitationswellengedächtnis diskutierten. Dann erfuhr ich vom sogenannten ‚Infrarotdreieck‘, das das Soft-Theorem mit dem Gravitationswellengedächtnis und Symmetrien der Raumzeit im Unendlichen von Gravitationswellenquellen aus verbindet.“

Weinbergs Theorem des weichen Gravitons und das „Infrarotdreieck“ sind mathematische Formulierungen, die dasselbe physikalische Phänomen beschreiben: das Gravitationswellengedächtnis. Im Rahmen ihrer jüngsten Studie untersuchten Goncharov und seine Kollegen die Möglichkeit, das Gravitationswellengedächtnis zu nutzen, um Raumzeitsymmetrien zu untersuchen.

„Dieses Phänomen spielt eine Rolle bei dem andauernden Versuch, Einsteins Gravitationstheorie – die Allgemeine Relativitätstheorie – als Quantenfeldtheorie am asymptotischen Rand der Raumzeit zu beschreiben, eine hundert Jahre alte, unsinkbare und dennoch mit der mikroskopischen Welt unvereinbare Theorie“, sagte Goncharov.

„Dieser Ansatz zu einer Vereinheitlichung in der Physik erscheint mir substanziell und vielversprechend; ich finde ihn sehr spannend. Unser konkretes Projekt entstand im Gespräch mit Prof. Laura Donnay, einer Co-Autorin der Publikation, über neue Fortschritte auf diesem Gebiet.“

Bei der Durchsicht bisheriger Literatur zu diesem Thema stellten die Forscher fest, dass eine wachsende Zahl entfernter Raumzeitsymmetrien diskutiert wurde, es jedoch nicht klar war, welche dieser Symmetrien und die entsprechenden Gedächtnisbegriffe in der Natur existieren. Während mehrere Physiker die Möglichkeit untersucht hatten, Gravitationswellengedächtnisse zu entdecken, waren sich Goncharov und seine Kollegen nicht sicher, welche physikalischen Gesetze sich mit ihren Messungen eingrenzen ließen.

„Die Idee, dass wir diese Raumzeitsymmetrien testen könnten, war zentral für unsere Studie“, erklärte Goncharov. „Ein weiterer Aspekt ist, dass ich und Prof. Jan Harms Mitglieder der Einstein-Teleskop-Kollaboration sind, für die es wichtig war, die Beobachtungsaussichten des Gravitationswellengedächtnisses zu untersuchen. Das Einstein-Teleskop ist der europäische erdgebundene Gravitationswellendetektor der nächsten Generation, der für die 2030er Jahre geplant ist.“

Bisher hatten Forscher noch keinen konventionellen Ansatz zur Messung von Raumzeitsymmetrien durch die Beobachtung von Gravitationswellengedächtniseffekten vorgestellt. Das aktuelle Papier von Goncharov und seinen Kollegen zielte darauf ab, diese offensichtliche Lücke in der Literatur zu schließen.

„Es gab bereits viele wichtige Vorarbeiten, die sich darauf konzentrierten (a) vorherzusagen, wann und mit welchen Instrumenten wir verschiedene Gravitationswellengedächtnisterme erkennen können, (b) wie man Gravitationswellengedächtniseffekte analytisch oder mithilfe der numerischen Relativitätstheorie berechnet und (c) wie verschiedene Modelle von Raumzeitsymmetrien Gravitationswellengedächtnisterme ergeben“, sagte Goncharov. „Eine Diskussion von Raumzeitsymmetrien basierend auf den beobachteten Gedächtniseffekten schien jedoch eine Lücke in der Literatur zu sein.“

Die jüngste Arbeit dieser Forscher kann als Machbarkeitsnachweis betrachtet werden. In ihrem Artikel stellen sie neue Beobachtungstests vor, mit denen sich Raumzeitsymmetrien untersuchen lassen, und skizzieren gleichzeitig mögliche Einschränkungen ihres vorgeschlagenen Ansatzes, die in Zukunft angegangen werden könnten.

Insgesamt lässt ihre Studie vermuten, dass der Pool an Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie erweitert werden könnte. Darüber hinaus liefert sie einige nützliche Berechnungen, die mit Daten durchgeführt werden könnten, die von verschiedenen Gravitationswellendetektoren gesammelt wurden.

Goncharov und seine Kollegen hoffen, dass ihr Artikel weitere Diskussionen über Raumzeitsymmetrien und Gravitationswellengedächtnis innerhalb ihrer Forschungsgemeinschaft anstoßen wird. Diese Diskussionen könnten möglicherweise den Weg zur Vereinheitlichung verschiedener physikalischer Theorien ebnen.

„Im Moment beginne ich mit Sharon Tomson (einer neuen Doktorandin an meinem derzeitigen Institut, dem AEI in Hannover, Deutschland) und Dr. Rutger van Haasteren mit der Suche nach Gravitationswellenspeichern mit Pulsar Timing Arrays (PTAs).“

PTAs sind Instrumente für astronomische Beobachtungen, die mit Hilfe von Radioteleskopen auf der Erde hochstabile und regelmäßige Signale von Pulsaren (d. h. schnell rotierenden Neutronensternen) sammeln. Diese Neutronensterne verhalten sich wie hochpräzise Uhren, da sie empfindlich genug sind, um Verzögerungen und Voreilungen von Radioimpulsen zu erfassen, die durch die Ausbreitung von Gravitationswellen durch die Milchstraße entstehen.

„PTAs sind Detektoren auf galaktischer Ebene, die derzeit nach und nach ein gemeinsames Summen von sich langsam umkreisenden supermassiven Doppelschwarzen Löchern im nahen Universum aufzufangen scheinen. Das Signal liefert langsame Variationen in den Pulsankunftszeiten, die in Zeiträumen von mehreren Jahren bis Jahrzehnten am deutlichsten sind“, fügte Goncharov hinzu.

„Eine bemerkenswerte Verschmelzung von supermassiven Doppelsystemen schwarzer Löcher in einer nahegelegenen Galaxie könnte einen Gravitationswellenausbruch mit Gedächtnis auslösen, der durch PTAs nachweisbar ist. Obwohl solche Ausbrüche sehr selten sind, hoffen wir, durch die Eingrenzung ihrer Existenz einige nützliche Informationen aus den Daten zu gewinnen.“

© 2024 Science X Netzwerk