Erforschung der Möglichkeit, die grundlegenden Symmetrien der Raumzeit mithilfe des Gravitationswellengedächtnisses zu untersuchen

Wie die Allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt, können vorbeiziehende Gravitationswellen eine messbare Änderung der relativen Position von Objekten bewirken. Dieses physikalische Phänomen, bekannt als Gravitationswellengedächtnis, könnte möglicherweise zur Untersuchung sowohl von Gravitationswellen als auch der Raumzeit genutzt werden.

Forscher des Gran Sasso Science Institute (GSSI) und der International School for Advanced Studies (SISSA) führten kürzlich eine Studie durch, in der sie die Möglichkeit untersuchten, den Gravitationswellenspeicher zur Messung von Raum-Zeit-Symmetrien zu nutzen, also grundlegenden Eigenschaften der Raumzeit, die nach bestimmten Transformationen gleich bleiben . Ihr Artikel, veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchunglegt nahe, dass diese Symmetrien durch die Beobachtung von Verschiebung und Spingedächtnis untersucht werden könnten.

„Ich interessiere mich schon seit langem für das Phänomen des Gravitationswellengedächtnisses und den Zusammenhang zwischen der damit verbundenen Niederenergiephysik und der Quantenmechanik“, sagte Boris Goncharov, Co-Autor der Arbeit, gegenüber Phys.org. „Während meiner Doktorarbeit hörte ich zum ersten Mal von Weinbergs Soft-Graviton-Theorem von Professor Paul Lasky von der Monash University in Australien, als ich über das Gravitationswellengedächtnis diskutierte. Dann entdeckte ich das sogenannte „Infrarotdreieck“, das das Soft-Theorem mit dem Gravitationswellengedächtnis und Symmetrien der Raumzeit im Unendlichen aus Gravitationswellenquellen verbindet. »

Weinbergs Soft-Graviton-Theorem und das „Infrarot-Dreieck“ sind mathematische Formulierungen, die dasselbe physikalische Phänomen beschreiben: das Gravitationswellengedächtnis. Im Rahmen ihrer jüngsten Studie untersuchten Goncharov und seine Kollegen die Möglichkeit, das Gedächtnis von Gravitationswellen zu nutzen, um die Symmetrien der Raumzeit zu untersuchen.

„Dieses Phänomen spielt eine Rolle bei einem fortlaufenden Versuch, Einsteins hundert Jahre alte Gravitationstheorie, die unsinkbar und dennoch mit der mikroskopischen Welt – der Allgemeinen Relativitätstheorie – unvereinbar ist, als Quantenfeldtheorie in der asymptotischen Grenze der Raumzeit zu beschreiben“, sagte Goncharov sagte.

„Dieser Ansatz zur Vereinheitlichung der Physik erscheint mir substanziell und vielversprechend; Ich finde es sehr spannend. Unser spezifisches Projekt entstand aus der Diskussion neuer Fortschritte auf diesem Gebiet mit Professor Laura Donnay, Co-Autorin der Veröffentlichung. »

Bei der Durchsicht der vorhandenen Literatur in diesem Bereich stellten die Forscher fest, dass immer mehr tiefe Raum-Zeit-Symmetrien hervorgerufen wurden, es war jedoch unklar, welche dieser Symmetrien und die entsprechenden Gedächtnisbegriffe in der Natur existierten. Während mehrere Physiker die Möglichkeit des Nachweises des Gravitationswellengedächtnisses untersucht hatten, waren sich Goncharov und seine Kollegen nicht sicher, welche Physik durch ihre Messungen eingeschränkt werden könnte.

„Die Idee, diese Raum-Zeit-Symmetrien testen zu können, stand im Mittelpunkt unserer Studie“, erklärt Goncharov. „Ein weiterer Aspekt ist, dass Professor Jan Harms und ich Mitglieder der Einstein-Teleskop-Kollaboration sind, für die es wichtig war, die Aussichten für die Beobachtung des Gravitationswellengedächtnisses zu untersuchen. Das Einstein-Teleskop ist Europas terrestrischer Gravitationswellendetektor der nächsten Generation, der für die 2030er Jahre geplant ist.“

Bisher haben Forscher noch keinen herkömmlichen Ansatz zur Messung von Raum-Zeit-Symmetrien durch Beobachtung der Memory-Effekte von Gravitationswellen etabliert. Die aktuelle Arbeit von Goncharov und Kollegen zielte darauf ab, diese offensichtliche Lücke in der Literatur zu schließen.

„Zuvor wurde viel wichtige Arbeit geleistet, insbesondere (a) zur Vorhersage des Zeitpunkts und der Instrumente zur Erkennung der verschiedenen Gravitationswellengedächtnisterme, (b) zur Berechnung der Gravitationswellengedächtniseffekte auf analytische Weise oder unter Verwendung der numerischen Relativitätstheorie und (c ) wie verschiedene Modelle von Raum-Zeit-Symmetrien Gravitationswellen-Gedächtnisterme erzeugen“, sagte Goncharov. „Allerdings schien eine Diskussion von Raum-Zeit-Symmetrien auf der Grundlage beobachteter Gedächtniseffekte eine Lücke in der Literatur zu sein. »

Die jüngsten Arbeiten dieser Forscher können als Beweis des Prinzips angesehen werden. In ihrer Arbeit stellen sie neue Beobachtungstests vor, die zur Untersuchung von Raumzeitsymmetrien eingesetzt werden könnten, und weisen gleichzeitig auf mögliche Einschränkungen ihres vorgeschlagenen Ansatzes hin, die in Zukunft behoben werden könnten.

Insgesamt deutet ihre Studie darauf hin, dass das Testspektrum der Allgemeinen Relativitätstheorie erweitert werden könnte. Darüber hinaus bietet es nützliche Berechnungen, die anhand von Daten durchgeführt werden könnten, die von verschiedenen Gravitationswellendetektoren gesammelt wurden.

Goncharov und seine Kollegen hoffen, dass ihr Artikel innerhalb ihrer Forschungsgemeinschaft neue Diskussionen über Raum-Zeit-Symmetrien und Gravitationswellengedächtnis eröffnen wird. Diese Diskussionen könnten möglicherweise den Weg für die Vereinheitlichung verschiedener physikalischer Theorien ebnen.

„Derzeit beginne ich zusammen mit Sharon Tomson (einer neuen Doktorandin an meinem derzeitigen Institut, dem AEI in Hannover, Deutschland) und Dr. Rutger van Haasteren mit der Forschung zum Gravitationswellengedächtnis mit Pulsar Timing Arrays (PTA). »

PTAs sind astronomische Beobachtungsinstrumente, die mithilfe von Radioteleskopen auf der Erde sehr stabile und regelmäßige Signale von Pulsaren (d. h. schnell rotierenden Neutronensternen) sammeln. Diese Neutronensterne verhalten sich wie hochpräzise Uhren, da sie empfindlich genug sind, um die Verzögerungen und Fortschritte von Radioimpulsen zu erfassen, die aus der Ausbreitung von Gravitationswellen durch die Milchstraße resultieren.

„PTAs sind Detektoren im galaktischen Maßstab, die derzeit offenbar nach und nach ein gemeinsames Summen langsam spiralförmiger supermassiver binärer Schwarzer Löcher im nahen Universum aufzeichnen. „Das Signal erzeugt langsame Schwankungen der Pulsankunftszeiten, die auf Zeitskalen von Jahren bis Jahrzehnten ausgeprägter sind“, fügte Goncharov hinzu.

„Eine bemerkenswerte Verschmelzung supermassiver binärer Schwarzer Löcher in einer nahegelegenen Galaxie könnte einen Ausbruch von Gravitationswellen mit Gedächtnis verursachen, der von PTAs nachgewiesen werden kann.“ Obwohl solche Explosionen sehr selten sind, hoffen wir, durch die Begrenzung ihrer Existenz nützliche Informationen aus den Daten zu gewinnen. »

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