Studie löst Rätsel beim Gravitationskollaps von Gravitationswellen

Schwarze Löcher sind Regionen im Weltraum, in denen die Anziehungskraft so stark ist, dass ihnen nichts entkommen kann, nicht einmal Licht. Diese faszinierenden Regionen standen im Mittelpunkt unzähliger Studien, doch einige der ihrer Entstehung zugrunde liegenden Physik sind noch nicht vollständig verstanden.

Schwarze Löcher entstehen beim sogenannten Gravitationskollaps. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um die Kontraktion eines kosmologischen Objekts, die durch seine eigene Schwerkraft ausgelöst wird, die Materie nach innen zieht (dh in Richtung des Schwerpunkts des Objekts).

Ob ein solches kollabierendes Objekt ein Schwarzes Loch bildet oder nicht, hängt von den spezifischen Eigenschaften des Objekts ab. In einigen Fällen befindet sich ein Objekt möglicherweise sehr nahe an der Schwelle, sodass es schwierig ist, zu entscheiden, ob ein Schwarzes Loch entstehen soll oder nicht. Ein solcher Kollaps führt zu sogenannten kritischen Phänomenen.

Physiker versuchen seit Jahrzehnten, kritische Phänomene beim Gravitationskollaps zu verstehen, da einige seiner Eigenschaften mit anderen bekannten physikalischen Systemen identisch sind. Ein aktuelles Papier veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Untersuchung Eine von einer internationalen Forschungskooperation am Bowdoin College in den USA und anderen Instituten in Deutschland, Prag, Großbritannien und Portugal durchgeführte Studie fand Übereinstimmung zwischen drei unabhängig durchgeführten numerischen Simulationen dieser Phänomene und löste einige seit langem bestehende Rätsel in diesem Forschungsbereich.

„Kritische Phänomene beim Gravitationskollaps kurz vor dem Beginn der Bildung von Schwarzen Löchern waren zuerst berichtet von Matt Choptuik vor etwa 30 Jahren“, sagte Thomas W. Baumgarte, Co-Autor der Arbeit, gegenüber Phys.org.

„Teils weil diese Effekte viele Eigenschaften mit kritischen Phänomenen in anderen Bereichen der Physik gemeinsam haben (z. B. Phasenübergänge in der statistischen Physik) und teils weil sie grundlegende Fragen zu den Eigenschaften der Allgemeinen Relativitätstheorie beantworten, erregten sie sofort die Aufmerksamkeit vieler Forscher verschiedene Bereiche der Physik.

Zwei der faszinierendsten Eigenschaften des kritischen Gravitationskollapses sind Universalität und Selbstähnlichkeit. In diesem Zusammenhang bezieht sich der Begriff „Universalität“ auf die Idee, dass die Lösung immer dieselbe sein wird, egal wie eine Berechnung beginnt, je näher der Beginn der Entstehung eines Schwarzen Lochs rückt. Selbstähnlichkeit hingegen bedeutet, dass diese universelle Lösung dieselben Muster wiederholt, wenn der physische Maßstab verringert wird.

„Während Choptuiks Berechnungen ein sogenanntes Skalarfeld als Materiequelle beinhalteten, folgten bald darauf Andrew Abrahams und Chuck Evans berichteten über ähnliche Effekte für den gravitativen Kollaps von Gravitationswellen (also für die reine Schwerkraft in Abwesenheit jeglicher Materie)“, erklärte Baumgarte.

„Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass Choptuik in der Lage war, sphärische Symmetrie anzunehmen, während Gravitationswellen in sphärischer Symmetrie nicht existieren können, so dass Abrahams und Evans die Annahme sphärischer Symmetrie lockern mussten. Leider war es sehr schwierig, diese letztgenannten Ergebnisse zu reproduzieren.“ da einige numerische Codes in diesem Fall völlig versagten oder Ergebnisse lieferten, die denen von Abrahams und Evans zu widersprechen schienen.“

Nach den scheinbar widersprüchlichen Ergebnissen der 1990er Jahre blieb die Natur des kritischen Zusammenbruchs der „reinen Schwerkraft“ fast drei Jahrzehnte lang ein ungelöstes Rätsel. Kürzlich haben jedoch drei verschiedene Forschungsgruppen unabhängige numerische Simulationen dieses Zusammenbruchs durchgeführt und dabei unabhängig voneinander entwickelte Codes verwendet.

„Alle diese drei Codes lösen Einsteins Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie, verwenden jedoch völlig unterschiedliche numerische Strategien (z. B. Spektralmethoden versus Finite-Differenzen-Methoden)“, sagte Baumgarte. „Kartesische Koordinaten im Vergleich zu sphärischen Polarkoordinaten, unterschiedliche Maßbedingungen usw. Alle drei Codes treffen auch unterschiedliche Entscheidungen für die sogenannte „Slicing-Bedingung“ (dh sie treffen unterschiedliche Entscheidungen für die Geschwindigkeit, mit der die Zeit in den Codes fortschreitet).“

Das Hauptziel der aktuellen Studie von Baumgarte und seinen Kollegen bestand darin, die drei numerischen Simulationen, die kürzlich von diesen drei verschiedenen Forschungsteams durchgeführt wurden, gemeinsam zu untersuchen. Ihre Arbeit war somit eine gemeinsame Anstrengung der Teams, die darauf abzielte, ihre unabhängigen Forschungsbemühungen zu verbinden und neues Licht auf die Natur des Gravitationskollapses zu werfen.

„Als erstes Ergebnis berichten wir, dass unsere Codes trotz aller numerischen Unterschiede völlig konsistente Ergebnisse für den kritischen Kollaps von Gravitationswellen liefern“, sagte Baumgarte. „Das gibt uns die Gewissheit, dass diese Ergebnisse korrekt sind und keine numerischen Artefakte. Es erweist sich als entscheidend, eine geeignete Wahl für die Slicing-Bedingung zu treffen: Eine sehr häufige andere Wahl, die bei vielen anderen numerischen Relativitätssimulationen erfolgreich war, schlägt fehl Dies erklärt, warum einige frühere Versuche, dieses Problem zu lösen, fehlschlugen.

Bemerkenswert ist, dass die Forscher in ihren drei unabhängigen numerischen Simulationen keine Beweise für die Eigenschaft der Universalität fanden. Mit anderen Worten: Sie fanden heraus, dass der Beginn der numerischen Berechnung mit unterschiedlichen Anfangsdaten zu unterschiedlichen Werten führte, während die Entstehung eines Schwarzen Lochs näher rückte.

„Unsere Ergebnisse erklären ein weiteres Puzzleteil“, sagte Baumgarte. „Einige frühere Studien hatten Unterschiede zu den Ergebnissen von Abrahams und Evans berichtet, die daher widersprüchlich erschienen. Diese Studien verwendeten jedoch auch unterschiedliche Ausgangsdaten. Eine Nichtübereinstimmung zwischen den Ergebnissen stellt daher nur unter der Annahme der Universalität einen Widerspruch dar – was wir tun.“ sehe keine Beweise.

Während die Forscher keine Hinweise auf Universalität fanden, fanden sie ungefähre Hinweise auf Selbstähnlichkeit. Interessanterweise schien die beobachtete Selbstähnlichkeit jedoch, anders als beim kritischen Kollaps der sphärischen Symmetrie, nicht exakt zu sein.

Bereits in den 1990er Jahren hatten Abrahams und Evans über eine nicht exakte Selbstähnlichkeit berichtet. Diese jüngsten Ergebnisse stimmen somit mit früheren Erkenntnissen überein, was möglicherweise darauf hindeutet, dass berichtete Abweichungen von einer exakten Selbstähnlichkeit mit dem Fehlen einer sphärischen Symmetrie zusammenhängen könnten.

Die jüngste Arbeit von Baumgarte und seinen Kollegen könnte bald den Weg für neue numerische und theoretische Studien ebnen, die darauf abzielen, den kritischen Kollaps der Gravitationswellen weiter zu untersuchen und neu zu formulieren. Dies könnte die Physiker der Enthüllung der Natur und der Geheimnisse dieses faszinierenden physikalischen Phänomens näher bringen, von dem bekannt ist, dass es der Entstehung von Schwarzen Löchern vorausgeht.

„Obwohl wir glauben, dass unsere Arbeit mehrere offene Fragen im Zusammenhang mit dem kritischen Kollaps der Gravitationswellen gelöst hat, bleiben einige Folgefragen offen“, fügte Baumgarte hinzu. „Zum Beispiel haben wir für einige Familien der Ausgangsdaten annähernd selbstähnliche Lösungen gefunden, für andere jedoch nicht, und die Art der ‚Schwellenlösung‘ für diese anderen Familien bleibt unklar.“

„Es wäre auch wünschenswert, Simulationen mit einer besseren Feinabstimmung auf den Beginn der Bildung von Schwarzen Löchern durchzuführen (z. B. unter Verwendung numerischer Codes mit besserer Auflösung und/oder anderen Verbesserungen), um zu untersuchen, ob sich eine universelle kritische Lösung für die Feinabstimmung ergibt.“ ist besser als irgendjemand bisher erreicht hat.

„Abschließend wollen wir untersuchen, was die Abweichungen von einer exakten Selbstähnlichkeit verursacht, und feststellen, ob diese Abweichungen in direktem Zusammenhang mit dem Fehlen einer sphärischen Symmetrie stehen.“

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