Wenn zwei Schwarze Löcher miteinander kollidieren, um ein neues, größeres Schwarzes Loch zu bilden, wirbeln sie die Raumzeit um sie herum auf und senden Wellen, sogenannte Gravitationswellen, in alle Richtungen nach außen. Frühere Studien zu Kollisionen von Schwarzen Löchern modellierten das Verhalten der Gravitationswellen mithilfe der sogenannten linearen Mathematik, was bedeutet, dass die nach außen kräuselnden Gravitationswellen sich nicht gegenseitig beeinflussten oder miteinander interagierten. Eine neue Analyse hat nun dieselben Kollisionen detaillierter modelliert und sogenannte nichtlineare Effekte offenbart.
„Nichtlineare Effekte treten auf, wenn Wellen auf dem Strandkamm aufschlagen und zusammenbrechen“, sagt Keefe Mitman, eine Caltech-Doktorandin, die mit Saul Teukolsky (PhD ’74), dem Robinson-Professor für Theoretische Astrophysik am Caltech mit einer gemeinsamen Berufung an der Cornell University, zusammenarbeitet. „Die Wellen interagieren und beeinflussen sich gegenseitig, anstatt von alleine zu reiten. Bei etwas so Gewalttätigem wie der Verschmelzung eines Schwarzen Lochs haben wir diese Effekte erwartet, aber bisher in unseren Modellen nicht gesehen. Neue Methoden zum Extrahieren der Wellenformen aus unseren Simulationen haben es getan machte es möglich, die Nichtlinearitäten zu sehen.“
Die Forschung, veröffentlicht in der Zeitschrift Briefe zur körperlichen Überprüfungstammen von einem Forscherteam am Caltech, der Columbia University, der University of Mississippi, der Cornell University und dem Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik.
In Zukunft kann das neue Modell verwendet werden, um mehr über die tatsächlichen Kollisionen von Schwarzen Löchern zu erfahren, die routinemäßig von LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) beobachtet werden, seit es 2015 mit der ersten direkten Detektion von Gravitationswellen Geschichte schrieb Raum. LIGO wird später in diesem Jahr wieder anlaufen, nachdem es eine Reihe von Upgrades erhalten hat, die die Detektoren noch empfindlicher für Gravitationswellen machen als zuvor.
Mitman und seine Kollegen sind Teil eines Teams namens Simulating eXtreme Spacetimes Collaboration oder SXS. Das von Teukolsky in Zusammenarbeit mit dem Nobelpreisträger Kip Thorne (BS ’62), Richard P. Feynman, emeritierter Professor für Theoretische Physik, am Caltech gegründete SXS-Projekt verwendet Supercomputer, um Verschmelzungen von Schwarzen Löchern zu simulieren. Die Supercomputer modellieren, wie sich die Schwarzen Löcher entwickeln, wenn sie sich spiralförmig annähern und verschmelzen, indem sie die Gleichungen von Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie verwenden. Tatsächlich war Teukolsky der Erste, der verstand, wie man diese Relativitätsgleichungen verwendet, um die „Ringdown“-Phase der Kollision des Schwarzen Lochs zu modellieren, die unmittelbar nach der Verschmelzung der beiden massiven Körper auftritt.
„Supercomputer werden benötigt, um eine genaue Berechnung des gesamten Signals durchzuführen: die Inspiration der beiden umlaufenden Schwarzen Löcher, ihre Verschmelzung und das Einschwingen zu einem einzigen ruhenden Schwarzen Loch“, sagt Teukolsky. „Die lineare Behandlung der Einschwingphase war vor einiger Zeit Gegenstand meiner Doktorarbeit bei Kip. Die neue nichtlineare Behandlung dieser Phase wird eine genauere Modellierung der Wellen und schließlich neue Tests ermöglichen, ob die allgemeine Relativitätstheorie tatsächlich vorliegt , die korrekte Gravitationstheorie für Schwarze Löcher.“
Die SXS-Simulationen haben sich als hilfreich bei der Identifizierung und Charakterisierung der fast 100 Smashups von Schwarzen Löchern erwiesen, die bisher von LIGO entdeckt wurden. Diese neue Studie stellt das erste Mal dar, dass das Team nichtlineare Effekte in Simulationen der Ringdown-Phase identifiziert hat.
„Stellen Sie sich vor, es sitzen zwei Leute auf einem Trampolin“, sagt Mitman. „Wenn sie sanft springen, sollten sie die andere Person nicht so sehr beeinflussen. Das passiert, wenn wir sagen, dass eine Theorie linear ist. Aber wenn eine Person anfängt, mit mehr Energie zu hüpfen, dann verzerrt sich das Trampolin und die andere Person beginnt ihren Einfluss zu spüren. Das meinen wir mit nichtlinear: Die beiden Personen auf dem Trampolin erfahren durch die Anwesenheit und den Einfluss der anderen Person neue Schwingungen.“
Gravitationstechnisch bedeutet dies, dass die Simulationen neuartige Wellen erzeugen. „Wenn Sie tiefer unter den großen Wellen graben, finden Sie eine zusätzliche neue Welle mit einer einzigartigen Frequenz“, sagt Mitman.
Im Großen und Ganzen werden diese neuen Simulationen den Forschern helfen, zukünftige Kollisionen von Schwarzen Löchern, die von LIGO beobachtet werden, besser zu charakterisieren und Einsteins allgemeine Relativitätstheorie besser zu testen.
Co-Autor Macarena Lagos von der Columbia University sagt: „Dies ist ein großer Schritt, um uns auf die nächste Phase der Gravitationswellenerkennung vorzubereiten, die unser Verständnis der Schwerkraft in diesen unglaublichen Phänomenen vertiefen wird, die in den Weiten des Kosmos stattfinden. „