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Durchbruch in der Gravitationswellenphysik: Streuung Schwarzer Löcher mit beispielloser Präzision



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Prof. Jan Plefka


 
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Visualisierung der gravitativen Bremsstrahlung aus der Streuung zweier schwarzer Löcher inklusive Wellenprofil
 


 
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Visualisierung der gravitativen Bremsstrahlung aus der Streuung zweier schwarzer Löcher (BSc-Arbeit O. Babayemi)
 


 

Unter der Leitung von IRIS Adlershof-Mitglied Jan Plefka hat ein internationales Team die Dynamik zweier aufeinander­treffender Schwarzer Löcher mit der bisher höchsten jemals erreichten Präzision berechnet. Ihre in der renommierten Zeit­schrift Physical Review Letters als "Editor's Choice" veröffentlichte Arbeit liefert neue Einblicke in die enormen Gravitations­wechsel­wirkungen zwischen diesen extremen Objekten in unserem Universum.

Die Streuung Schwarzer Löcher ist ein fundamentales Problem der Allgemeinen Relativitäts­theorie Einsteins mit weitreichenden Folgen für die Astrophysik und Gravitations­wellen­astronomie. Das Verständnis der Gravitations­wechsel­wirkungen und der abgestrahlten Gravitations­strahlung bei der Kollision zweier Schwarze Löcher oder Neutronen­sterne ist entscheidend für die Inter­pretation von Beobachtungen mit Gravitations­wellen­detektoren wie LIGO und zukünftigen Detektoren der dritten Generation, die in den 2030er Jahren in Betrieb gehen sollen.

Die neuen Berechnungen der Forscher von der Humboldt-Universität zu Berlin, dem Max-Planck-Institut für Gravitations­physik und dem CERN bringen die theoretische Beschreibung der Schwarzen-Loch-Streuung auf eine noch nie dagewesene Genauigkeit - die fünfte Post-Minkowski‘sche Ordnung und nächstführende Selbst­kraftordnung. Diese enorm anspruchsvolle Vier-Schleifen-Berechnung erforderte modernste Integrations­techniken und Hoch­leistungs­rechner.

"Die Lösung dieses Problems markiert eine neue Grenze für Mehrschleifen-Berechnungen und effektive Feldtheorie-Techniken", sagte der Gruppenleiter Jan Plefka. Co-Autor Benjamin Sauer kommentierte: "Wir mussten jeden Aspekt optimieren, von der Erzeugung des Integranden bis hin zur Entwicklung neuer Integrationsmethoden." Insgesamt mussten einige Millionen von 16 dimensionalen Integralen, die den Streuwinkel beschreiben, auf eine Basis von 470 Masterintegralen reduziert werden, die dann berechnet wurden.

Bemerkenswerterweise fanden die Forscher, dass der resultierende Streuwinkel auf diesem neuen Präzisions­niveau eine erstaunliche Einfachheit aufweist, ohne dass neue transzendente Funktionen jenseits von Poly­logarithmen des Gewichts drei in Erscheinung treten. Alle theoretischen Checks, sowohl interne als auch durch Über­ein­stimmung mit nicht-relativistischen Grenz­fällen waren erfolgreich. 

Mit diesem Durch­bruch haben die Forscher die Grundlage dafür gelegt, ihre Berechnungen in fort­schrittliche Gravitations­wellen­modelle für die nächste Generation von Gravitations­wellen­detektoren einzubinden. Die höhere Präzision wird extrem genaue Tests der Einstein‘schen Theorie und neue Einblicke in die Kern- und Gravitations­physik von Doppel­systemen rotierender Schwarzer Löcher ermöglichen.

"Unsere Ergebnisse bringen die Vorhersage von Gravitations­wellen, die von Begegnungen Schwarzer Löcher ausgehen, auf eine noch nie dagewesene Genauigkeit", sagte der Co-Autor Gustav Uhre Jakobsen. "Dies eröffnet brillante neue Möglichkeiten, fundamentale Physik aus künftigen Gravitations­wellen­beobachtungen zu extrahieren."

Die Forschungsarbeit wurde von der Deutschen Forschungs­gemeinschaft im Rahmen des GRK 2575 „Rethinking Quantum Field Theory“ und dem Europäischen Forschungsrat mittels des Advanced Grants „GraWFTy“ von Jan Plefka finanziert.

Artikel:
Conservative Black Hole Scattering at Fifth Post-Minkowskian and First Self-Force Order
Mathias Driesse, Gustav Uhre Jakobsen, Gustav Mogull, Jan Plefka, Benjamin Sauer, and Johann Usovitsch
Phys. Rev. Lett. 132, 241402 – Published 13 June 2024
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.241402


Kontakt:
Prof. Dr. Jan Plefka
Sprecher Graduiertenkolleg 2575 „Rethinking Quantum Field Theory“
ERC Advanced Grant „GraWFTy"
Humboldt-Universität zu Berlin, IRIS Adlershof &
Institut für Physik, Arbeitsgruppe Quantenfeld- und Stringtheorie
Zum Großen Windkanal 2, D-12489 Berlin

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