Die Möglichkeit zu untersuchen, fundamentalen Raum-Zeit-Symmetrien durch Gravitationswellen-Memory auf den Grund zu gehen

6. Juli 2024 Merkmal

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von Ingrid Fadelli , Phys.org

Wie von der Theorie der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt, kann der Durchgang von Gravitationswellen eine messbare Veränderung der relativen Positionen von Objekten hinterlassen. Dieses physikalische Phänomen, bekannt als Gravitationswellen-Erinnerung, könnte möglicherweise genutzt werden, um sowohl Gravitationswellen als auch die Raumzeit zu studieren.

Forscher am Gran Sasso Science Institute (GSSI) und der International School for Advanced Studies (SISSA) haben kürzlich eine Studie durchgeführt, die die Möglichkeit untersucht, die Gravitationswellen-Erinnerung zu nutzen, um Raumzeitsymmetrien zu messen. Dies sind fundamentale Eigenschaften der Raumzeit, die nach spezifischen Transformationen gleich bleiben. Ihr in Physical Review Letters veröffentlichter Artikel legt nahe, dass diese Symmetrien durch die Beobachtung von Verschiebungs- und Spin-Erinnerungen untersucht werden könnten.

'Lange Zeit war ich neugierig auf das Phänomen der Gravitationswellen-Erinnerung und die Verbindung der damit verbundenen Niedrigenergiephysik mit der Quantenmechanik', sagte Boris Goncharov, Mitautor des Papiers, Phys.org. 'Ich hörte zum ersten Mal von Weinbergs weichem Graviton-Satz von Prof. Paul Lasky an der Monash University in Australien während meiner Promotion, als wir über Gravitationswellen-Erinnerung diskutierten. Dann erfuhr ich vom sogenannten 'Infrarot-Dreieck', das den weichen Satz mit der Gravitationswellen-Erinnerung und den Symmetrien der Raumzeit am Unendlichen von Gravitationswellenquellen verbindet.'

Weinbergs weicher Graviton-Satz und das 'Infrarot-Dreieck' sind mathematische Formulierungen, die dasselbe physikalische Phänomen umreißen: die Gravitationswellen-Erinnerung. Im Rahmen ihrer jüngsten Studie wollten Goncharov und seine Kollegen die Möglichkeit untersuchen, die Gravitationswellen-Erinnerung zu nutzen, um Raumzeitsymmetrien zu erforschen.

'Dieses Phänomen spielt eine Rolle in einem laufenden Versuch, Einsteins Schwerkrafttheorie - die allgemeine Relativitätstheorie - als eine Quantenfeldtheorie am asymptotischen Rand der Raumzeit zu beschreiben, die seit hundert Jahren unerschütterlich und dennoch mit der mikroskopischen Welt unvereinbar ist', sagte Goncharov.

'Dieser Ansatz zur Vereinheitlichung der Physik scheint mir substanziell und vielversprechend; ich finde es sehr spannend. Unser spezifisches Projekt entstand während der Diskussion neuer Fortschritte in diesem Bereich mit Prof. Laura Donnay, einer Mitautorin der Veröffentlichung.'

Als sie die vorherige Literatur in diesem Bereich überprüften, stellten die Forscher fest, dass eine wachsende Anzahl ferner Raumzeitsymmetrien diskutiert wurde, aber es war nicht klar, welche dieser Symmetrien und die entsprechenden Erinnerungsterme in der Natur existieren. Während mehrere Physiker die Möglichkeit untersucht hatten, die Gravitationswellen-Erinnerung zu erkennen, waren Goncharov und seine Kollegen unsicher, welche Physik mit ihren Messungen eingeschränkt werden könnte.

'Die Idee, dass wir diese Raumzeitsymmetrien testen könnten, war zentral in unserer Studie', erklärte Goncharov. 'Ein weiterer Aspekt ist, dass ich und Prof. Jan Harms Mitglieder der Einstein-Teleskop-Kollaboration sind, für die es wichtig war, die Beobachtungsaussichten der Gravitationswellen-Erinnerung zu untersuchen. Das Einstein-Teleskop ist der nächste europäische bodengestützte Gravitationswellendetektor, der für die 2030er Jahre geplant ist.'

Bis jetzt hatten Forscher noch keine konventionelle Methode eingeführt, um Raumzeitsymmetrien durch die Beobachtung der Effekte der Gravitationswellen-Erinnerung zu messen. Das jüngste Papier von Goncharov und seinen Kollegen zielt darauf ab, diese scheinbare Lücke in der Literatur zu schließen.

'Es gab viele vorherige wichtige Arbeiten, die sich darauf konzentrierten, (a) vorherzusagen, wann und mit welchen Instrumenten wir in der Lage sein werden, verschiedene Gravitationswellen-Erinnerungsterme zu erkennen, (b) wie man die Effekte der Gravitationswellen-Erinnerung analytisch oder mit numerischer Relativität berechnet und (c) wie verschiedene Modelle der Raumzeitsymmetrien Gravitationswellen-Erinnerungsterme ergeben', sagte Goncharov. 'Jedoch schien eine Diskussion der Raumzeitsymmetrien basierend auf den beobachteten Erinnerungseffekten eine Lücke in der Literatur zu sein.'

Die jüngste Arbeit dieser Forscher könnte als ein Grundsatzbeweis betrachtet werden. In ihrem Papier führen sie neue Beobachtungstests ein, die genutzt werden könnten, um Raumzeitsymmetrien zu erforschen, und weisen gleichzeitig auf potenzielle Einschränkungen ihres vorgeschlagenen Ansatzes hin, die in Zukunft adressiert werden könnten.

Insgesamt legt ihre Studie nahe, dass das Spektrum der Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie erweitert werden könnte. Darüber hinaus bietet es einige nützliche Berechnungen, die mit Daten, die von verschiedenen Gravitationswellendetektoren gesammelt wurden, durchgeführt werden könnten.

Goncharov and his colleagues hope that their paper will open further discussions about spacetime symmetries and gravitational wave memory among others within their research community. These discussions could potentially pave the way towards the unification of various physics theories.

'At the moment, with Sharon Tomson (a new Ph.D. student at my current institute, AEI in Hannover, Germany), and Dr. Rutger van Haasteren, I am starting a search for gravitational wave memory with Pulsar Timing Arrays (PTAs).'

PTAs are tools for astronomical observation that collect highly stable and regular signals originating from pulsars (i.e., rapidly spinning neutron stars), using radio telescopes on Earth. These neutron stars behave like highly precise clocks, as they are sensitive enough to pick up delays and advances of radio pulses resulting from the propagation of gravitational waves across the Milky Way.

'PTAs are galactic-scale detectors, which currently seem to be gradually picking up a joint hum of slowly inspiraling supermassive binary black holes in the nearby universe. The signal yields slow variations in pulse arrival times that are most prominent on timescales of several years to decades,' Goncharov added.

'One standing out merger of supermassive binary black holes in a nearby galaxy may cause a gravitational wave burst with memory, detectable by PTAs. Although such bursts are very rare, we hope to extract some useful information from the data by placing limits on their existence.'

Journal information: Physical Review Letters , arXiv

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