Von einem Schwarzen Loch ausgesendete Gravitationswellen, die das Zentrum nachahmen. Hellere Farben weisen auf höhere Wellenamplituden hin. Die Halbkreise dehnen sich mit der Zeit aus, wenn sich die Wellen nach außen ausbreiten. Bildnachweis: Nils Siemonsen.
In einer aktuellen Forschung hat ein Wissenschaftler der Princeton University die erste nichtlineare Studie einer Verschmelzung von Schwarzen Löchern durchgeführt, um die Natur der von diesen Objekten ausgesendeten Gravitationswellensignale zu verstehen, was möglicherweise dazu beitragen könnte, Schwarze Löcher genauer zu identifizieren.
Nachahmer von Schwarzen Löchern sind hypothetische astronomische Objekte, die Schwarze Löcher nachahmen, insbesondere in ihren Gravitationswellensignalen und ihrer Wirkung auf umgebende Objekte. Sie haben jedoch keinen Ereignishorizont, der den Punkt darstellt, an dem es kein Zurück mehr gibt.
Die Forschung wurde von Nils Siemonsen geleitet, einem wissenschaftlichen Mitarbeiter an der Princeton University, der mit Phys.org über seine Arbeit sprach.
„Nachahmer von Schwarzen Löchern sind Objekte, die Schwarzen Löchern bemerkenswert nahe kommen, denen aber ein Ereignishorizont fehlt. Durch die Beobachtung von Gravitationswellen könnten wir möglicherweise schwarze Löcher von Objekten unterscheiden, die die meisten ihrer Eigenschaften nachahmen“, sagte er.
Die Studie, veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchungkonzentriert sich auf eine Art imitierendes Schwarzes Loch, sogenannte Bosonensterne. Laut Dr. Siemonsen sind die Gravitationswellen, die ausgesandt werden, wenn Bosonensterne kollidieren und verschmelzen, der Schlüssel zur Unterscheidung von Schwarzen Löchern.
Binäre Bosonsterne und Verschmelzungen
Bosonensterne sind einer der potenziellen Kandidaten für die Nachahmung von Schwarzen Löchern und bestehen, wie der Name schon sagt, aus Bosonen. Bosonen sind subatomare Teilchen, wie Photonen und das Higgs-Teilchen.
Bosonensterne bestehen aus Skalarbosonen wie hypothetischen Axionen, also Bosonen ohne Spin, also ohne Eigendrehimpuls. Die Skalarfelder der Teilchen bilden eine stabile gravitativ gebundene Konfiguration, ohne dass eine starke Wechselwirkung erforderlich ist.
Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass die Verschmelzung eines bosonischen Doppelsternsystems zu Gravitationswellensignalen führt, bei denen es sich um Wellen in der Raumzeit handelt, die durch heftige Prozesse verursacht werden.
Diese Signale sind im Allgemeinen identisch mit denen eines verschmelzenden Schwarzen Lochs (oder der Post-Merger-Phase), unabhängig von der inneren Struktur des Schwarzen-Loch-Mimetikums.
Der Unterschied in den ausgesendeten Gravitationswellensignalen wird nach einer Laufzeit des Lichts innerhalb des Mimetikums beobachtet. Dies ist die Zeit, die das Licht benötigt, um sich über den Durchmesser des Mimetikums zu bewegen, in diesem Fall des Sterns mit Bosonen.
Im Falle einer Nachahmung eines Schwarzen Lochs ist dies durch wiederholte Gravitationsechos vom Typ „Burst“ gekennzeichnet.
Um frühere Forschungen zu verfeinern, versuchte Dr. Siemonsen, Probleme wie die mangelnde Berücksichtigung nichtlinearer Gravitationseffekte und den Ausschluss von Selbstinteraktionen zwischen Objektmaterie anzugehen.
Nichtlineare und selbstkonsistente Behandlung von Schwarzloch-Nachahmern
Um die Einschränkungen früherer Studien zu beseitigen, nutzte Dr. Siemonsen numerische Simulationen, um die vollständigen Einstein-Klein-Gordon-Gleichungen zu lösen, die die Entwicklung von Skalarfeldern, beispielsweise in Bosonensternen, beschreiben.
Für die Verschmelzung konzentrierte sich die Studie auf Szenarien mit großen Massenverhältnissen, also der Verschmelzung eines kleineren Bosonsterns mit einem größeren, kompakteren Stern, wobei die Gleichungen von Klein-Gordon den Frontalzusammenstoß des Doppelsternsystems beschreiben.
Die Klein-Gordon-Gleichung ermöglicht in Verbindung mit Einsteins Feldgleichungen, die die Gravitationsdynamik beschreiben, die Untersuchung der selbstkonsistenten Entwicklung des Systems.
Um den Gleichungssatz zu lösen, verwendete Dr. Siemonsen die Newton-Raphson-Relaxationstechnik mit Finite-Differenzen-Methoden fünfter Ordnung.
Er erläuterte die Herausforderungen bei der Implementierung dieser Techniken: „Nur unter bestimmten Bedingungen ahmt ein Schwarzes Loch die Entstehung aus der Verschmelzung zweier Bosonsterne nach.“ Der Bereich der Lösung, in dem dies auftritt, ist aufgrund der großen Skalentrennung besonders schwer zu simulieren. »
Um diese Probleme zu überwinden, wurden Methoden wie adaptive Netzverfeinerung und sehr hohe Auflösung eingesetzt.
Hochfrequenzstöße
Simulationen ergaben, dass das Gravitationswellensignal der Explosion, wie bisher angenommen, eine stoßartige Komponente mit unterschiedlichen Eigenschaften sowie eine langlebige Gravitationswellenkomponente enthält.
„Keine dieser Komponenten ist bei einer normalen Verschmelzung und Oszillation binärer Schwarzer Löcher vorhanden. Dies könnte zukünftige Gravitationswellensuchen leiten, die sich auf die Prüfung des Schwarzen-Loch-Paradigmas konzentrieren“, erklärte Dr. Siemonsen.
Allerdings ähnelt das anfängliche Gravitationswellensignal eines Nachahmers dem eines rotierenden Schwarzen Lochs, bekannt als Kerr-Schwarzes Loch, da der primäre (oder größere) Bosonstern kompakter und dichter wird.
Die Studie ergab, dass der Zeitpunkt der Ausbrüche von der Größe des kleinsten Bosonsterns abhängt, der an der Verschmelzung beteiligt ist.
Darüber hinaus entdeckten sie eine langlebige Komponente mit einer Frequenz, die mit der von einem Schwarzen Loch zu erwartenden Frequenz vergleichbar ist, was wahrscheinlich auf die Schwingungen des Restobjekts zurückzuführen ist.
„Schwarze Löcher stabilisieren sich in sehr kurzen Zeiträumen in ihrem Ruhezustand. Andererseits wird erwartet, dass Nachahmer von Schwarzen Löchern einen Teil der während der Verschmelzung verfügbaren Energie als Gravitationswellen während der Verschmelzung des letzteren auf relativ langen Zeitskalen wieder abgeben“, erklärt Dr. Siemonsen.
Schließlich ergab die Studie, dass die in Gravitationswellen emittierte Gesamtenergie deutlich größer ist als die, die bei einem entsprechenden Verschmelzungsereignis eines Schwarzen Lochs erwartet wird.
Zukünftige Arbeit
Die beiden in der Studie identifizierten Komponenten könnten als Unterscheidungsmerkmal zwischen einem Überrest der Verschmelzung eines Schwarzen Lochs und einer Nachahmung eines Schwarzen Lochs verwendet werden.
„Allerdings gibt es immer noch viele unbeantwortete Fragen zu den Eigenschaften gut motivierter Nachahmer Schwarzer Löcher und ihrer Verschmelzungs- und Resonanzdynamik“, fügte Dr. Siemonsen hinzu.
In Bezug auf zukünftige Arbeiten bemerkte er: „Eine interessante zukünftige Richtung besteht darin, eine gut motivierte Nachahmung eines Schwarzen Lochs zu betrachten und seine Dynamik der Inspiration, Verschmelzung und Regression im Kontext eines Binärsystems zu verstehen.“
„Darüber hinaus ist die Analyse der Resonanz dieser gut motivierten Nachahmer mithilfe von Störungstechniken und deren Verknüpfung mit nichtlinearen Behandlungen von entscheidender Bedeutung, um zukünftige Tests des Schwarzen-Loch-Paradigmas mithilfe von Beobachtungen von Gravitationswellen zu leiten.“ »
Weitere Informationen:
Nils Siemonsen, Nichtlineare Verarbeitung eines Schwarzloch-Imitators, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.031401. An arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2404.14536
© 2024 Science X Network
Zitat:Wissenschaftler schließt erste nichtlineare Studie über Schwarzloch-Nachahmer ab (2024, 14. August), abgerufen am 14. August 2024 von https://phys.org/news/2024-08-scientist-nonlinear-black-hole-mimicckers html
Dieses Dokument unterliegt dem Urheberrecht. Mit Ausnahme der fairen Nutzung für private Studien- oder Forschungszwecke darf kein Teil ohne schriftliche Genehmigung reproduziert werden. Der Inhalt dient ausschließlich Informationszwecken.