Studie löst Rätsel bei Gravitationskollaps von Gravitationswellen.

15. November 2023 Eigenschaften

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von Ingrid Fadelli, Phys.org

Schwarze Löcher sind Regionen im Weltraum, in denen die Gravitationskraft so stark ist, dass nichts aus ihnen entkommen kann, nicht einmal Licht. Diese faszinierenden Regionen wurden Gegenstand unzähliger Studien, dennoch ist die Physik, die ihrer Entstehung zugrunde liegt, noch nicht vollständig verstanden.

Ob ein solches kollabierendes Objekt ein schwarzes Loch bildet oder nicht, hängt von den spezifischen Eigenschaften des Objekts ab. In einigen Fällen kann ein Objekt sehr nahe an der Schwelle sein und Schwierigkeiten haben, zu entscheiden, ob ein schwarzes Loch entstehen soll oder nicht. Diese Art des Zusammenbruchs führt zu sogenannten kritischen Phänomenen.

Physiker versuchen seit Jahrzehnten, kritische Phänomene beim gravitativen Kollaps zu verstehen, da einige seiner Eigenschaften von anderen bekannten physikalischen Systemen geteilt werden. Eine kürzlich in Physical Review Letters veröffentlichte Arbeit einer internationalen Forschungskollaboration, die an dem Bowdoin College in den Vereinigten Staaten und anderen Instituten in Deutschland, Prag, Großbritannien und Portugal ansässig ist, fand Übereinstimmung zwischen drei unabhängig durchgeführten numerischen Simulationen dieser Phänomene und löste einige langjährige Rätsel in diesem Forschungsbereich.

'Kritische Phänomene beim gravitativen Kollaps, nahe dem Entstehen eines schwarzen Lochs, wurden vor etwa 30 Jahren erstmals von Matt Choptuik berichtet', sagte Thomas W. Baumgarte, Mitautor der Arbeit, zu Phys.org.

'Teilweise, weil diese Effekte viele Eigenschaften mit kritischen Phänomenen in anderen physikalischen Feldern teilen (z.B. Phasenübergänge in der statistischen Physik) und teilweise, weil sie grundlegende Fragen zu den Eigenschaften der allgemeinen Relativitätstheorie beantworten, haben sie sofort die Aufmerksamkeit vieler Forscher aus verschiedenen physikalischen Bereichen auf sich gezogen.'

Zwei der faszinierendsten Eigenschaften des kritischen gravitativen Kollapses sind Universalität und Selbstähnlichkeit. In diesem Zusammenhang bezieht sich der Begriff Universalität auf die Idee, dass, egal wie eine Berechnung beginnt, wenn sich der Beginn der Bildung eines schwarzen Lochs nähert, die Lösung immer die gleiche sein wird. Selbstähnlichkeit bedeutet dagegen, dass diese universelle Lösung die gleichen Muster wiederholt, während der physikalische Maßstab verringert wird.

'Während Choptuiks Berechnungen ein sogenanntes Skalarfeld als Materiequelle verwendeten, berichteten Andrew Abrahams und Chuck Evans kurz darauf ähnliche Effekte für den gravitativen Kollaps von Gravitationswellen (d.h. für reine Schwerkraft ohne jegliche Materie)', erklärte Baumgarte.

'Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass Choptuik von einer kugelsymmetrischen Annahme ausgehen konnte, während Gravitationswellen keine kugelsymmetrische Existenz haben können, so dass Abrahams und Evans die kugelsymmetrische Annahme aufgeben mussten. Leider war es sehr schwierig, diese letzten Ergebnisse zu reproduzieren, da einige numerische Codes in diesem Fall vollständig versagten oder Ergebnisse lieferten, die denjenigen von Abrahams und Evans zu widersprechen schienen.'

Nach den scheinbar widersprüchlichen Ergebnissen aus den 1990er Jahren blieb die Natur des kritischen Kollapses von 'reiner Schwerkraft' fast drei Jahrzehnte lang ein ungelöstes Rätsel. Vor kurzem führten jedoch drei verschiedene Forschungsgruppen unabhängige numerische Simulationen dieses Kollapses mit unabhängig entwickelten Codes durch.

'Alle drei Codes lösen Einsteins Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie, verwenden jedoch völlig unterschiedliche numerische Strategien (z.B. spektrale Methoden gegenüber Finite-Differenzen-Methoden)', sagte Baumgarte. 'Kartesische Koordinaten gegenüber sphärisch-polarer Koordinaten, unterschiedliche Eichbedingungen usw. Alle drei Codes treffen auch unterschiedliche Entscheidungen für die sogenannte 'Slicing-Bedingung' (d.h. sie wählen unterschiedliche Raten für die Fortschreitung der Zeit in den Codes).'

Das Hauptziel der kürzlichen Studie von Baumgarte und seinen Kollegen war es, die drei numerischen Simulationen gemeinsam zu untersuchen, die kürzlich von diesen drei verschiedenen Forschungsgruppen durchgeführt wurden. Ihre Arbeit war somit eine gemeinsame Anstrengung der Teams, die darauf abzielte, ihre unabhängigen Forschungsbemühungen zu verbinden, um neue Erkenntnisse über die Natur des gravitativen Kollapses zu gewinnen.

'As a first finding we report that, despite all the numerical differences, our codes produce completely consistent results for the critical collapse of gravitational waves,' Baumgarte said. ' This gives us confidence that these findings are correct, and not numerical artifacts. Making a suitable choice for the slicing condition turns out to be crucial: a very common other choice, one that has been successful for many other numerical relativity simulations, fails for this case, which explains why some previous attempts to solve this problem failed.'

Notably, in their three independent numerical simulations, the researchers found no evidence supporting the property of universality. In other words, they found that starting the numerical with different initial data resulted in different values while approaching the formation of a black hole.

'Our findings explain another piece of the puzzle,' Baumgarte said. 'Some previous studies had reported differences from the results of Abrahams and Evans, which therefore appeared conflicting, However, those studies also used different initial data. A disagreement between the results therefore constitutes a contradiction only under the assumption of universality—for which we do not see any evidence.'

While the researchers found no evidence of universality, they found approximate evidence of self-similarity. Interestingly, however, unlike that observed in the case of critical collapse in spherical symmetry, the self-similarity they observed did not appear to be exact.

Back in the 1990s, Abrahams and Evans had also reported a non-exact self-similarity. These recent results are thus aligned with previous findings, potentially suggesting that reported departures from an exact self-similarity could be linked to the absence of a spherical symmetry.

The recent work by Baumgarte and his colleagues could soon pave the way for new numerical and theoretical studies aimed at further studying and re-framing the critical collapse of gravitational waves. This could bring physicists closer to unveiling the nature and mysteries of this intriguing physical phenomenon, known to precede the formation of black holes.

'While we believe that our work has resolved several open questions in the context of critical collapse of gravitational waves, several follow-up questions remain,' Baumgarte added. 'For example, we found approximately self-similar solutions for some families of initial data, but not for others, and the nature of the 'threshold solution' for those other families remains unclear.

'It would also be desirable to perform simulations with better fine-tuning to the onset of black-hole formation (e.g., using numerical codes with better resolution and/or other improvements) to explore whether a universal critical solution emerges for fine-tuning that is better than anybody has achieved so far.

'Finally, we plan to investigate what causes the departures from an exact self-similarity and determine if these departures are directly related to the absence of spherical symmetry.'

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