Theoretische Studien zeigen, dass Kerr-Schwarzschildlöcher neue Physik verstärken könnten.

22. September 2023 Funktion

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von Ingrid Fadelli, Phys.org

Schwarze Löcher sind Regionen im Weltraum, die durch extrem starke Gravitation gekennzeichnet sind, die verhindert, dass jegliche Materie und elektromagnetische Wellen daraus entkommen können. Diese faszinierenden kosmischen Körper waren bereits Gegenstand unzähliger Forschungsstudien, doch ihre komplexen physikalischen Feinheiten sind noch nicht vollständig entschlüsselt.

Forscher der University of California–Santa Barbara, der Universität Warschau und der University of Cambridge haben kürzlich eine theoretische Studie durchgeführt, die sich auf eine Klasse von schwarzen Löchern namens extremalen Kerr-Schwarze Löcher konzentriert. Diese ungeladenen stationären schwarzen Löcher haben eine zusammenfallende innere und äußere Horizonte. Ihre Arbeit, veröffentlicht in Physical Review Letters, zeigt, dass die einzigartigen Eigenschaften dieser schwarzen Löcher sie zu idealen "Verstärkern" für neue, unbekannte Physik machen könnten.

"Diese Forschung hat ihren Ursprung in einem früheren Projekt, das während meines Besuchs an der UC Santa Barbara begonnen wurde", sagte Maciej Kolanowski, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys.org. "Ich begann, sehr kalte (sogenannte extremale) schwarze Löcher mit Gary Horowitz (UCSB) und Jorge Santos (Cambridge) zu diskutieren. Bald erkannten wir, dass generische extremale schwarze Löcher sehr unterschiedlich aussehen als bisher angenommen wurde."

In ihrer früheren Arbeit haben Kolanowski, Horowitz und Santos gezeigt, dass extremale schwarze Löcher in Anwesenheit einer kosmologischen Konstante von unendlichen Gezeitenkräften beeinflusst werden. Das bedeutet, dass lebende Wesen, die in das schwarze Loch fallen würden, von der Gravitation zerquetscht würden, bevor sie sich auch nur annähernd dem Zentrum des schwarzen Lochs nähern. Doch das Team zeigte, dass dieser Effekt verschwindet, wenn die kosmologische Konstante null ist, wie es in vielen astrophysikalischen Szenarien angenommen wird.

"Der Funke für das aktuelle Papier entstand während des wöchentlichen Gravity Lunch an der UC Santa Barbara", erklärte Grant Remmen. "Nach einem Vortrag über seine Arbeit zu Singularitäten am Horizont von schwarzen Löchern fragte ich Horowitz, ob andere Effekte zu solchen Phänomenen führen könnten. Meine frühere Arbeit zu effektiven Feldtheorien (EFTs), insbesondere zur Entwicklung von Physikmodellen mit quantenkorrigierten EFTs, gab mir eine Idee. Im Gespräch mit Horowitz fragte ich mich, ob die höheren Ableitungsterme in einer gravitationalen EFT (also Korrekturen zum Einstein'schen Gravitationsgesetz) selbst zu Singularitäten an den Horizonten extremaler schwarzer Löcher führen könnten."

Nachdem Remmen seine Idee mit Horowitz geteilt hatte, begannen sie eine Zusammenarbeit mit Kolanowski und Santos, die darauf abzielte, diese Idee mithilfe einer Reihe von Berechnungen zu überprüfen. In ihren Berechnungen berücksichtigten die Forscher die Einstein-Gravitation gekoppelt mit ihren führenden quantenkorrigierten Korrekturen.

"Die Einstein-Gleichungen sind linear in Bezug auf den Riemann-Tensor, einem mathematischen Objekt, das die Krümmung des Raum-Zeit-Gefüges beschreibt", erklärte Remmen. "In drei Raumdimensionen sind die führenden Korrekturen zu Einstein Terme, die kubisch (dritte Potenz) und quartisch (vierte Potenz) in der Krümmung sind. Da die Krümmung ein Maß für Ableitungen der Raum-Zeit-Geometrie ist, werden solche Terme 'höher-geordnete Terme' genannt. Wir haben die Auswirkung dieser höher-geordneten Terme auf schnell rotierende schwarze Löcher berechnet."

Extremale schwarze Löcher rotieren mit einer maximal möglichen Geschwindigkeit, die dem Horizont entspricht, der sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. Die Berechnungen der Forscher zeigten, dass die quantenkorrigierten EFT-Korrekturen extremale schwarze Löcher singular machen, mit unendlichen Gezeitenkräften. Dies steht im starken Gegensatz zu typischen schwarzen Löchern, bei denen die Gezeitenkräfte endlich sind und nur im Zentrum des schwarzen Lochs unendlich werden.

"Überraschenderweise lässt die EFT-Korrekturen die Singularität vom Zentrum des schwarzen Lochs bis zum Horizont springen, wo man sie nicht erwarten würde", sagte Remmen. "Der Wert des Koeffizienten vor einem bestimmten EFT-Term - die 'Einstellungen des Rades' in den Naturgesetzen - werden durch die Kopplungen und Typen von Teilchen diktiert, die bei hohen Energien und kurzen Entfernungen vorhanden sind. In diesem Sinne sind EFT-Koeffizienten empfindlich auf neue Physik."

Kolanowski, Horowitz, Remmen und Santos stellten auch fest, dass die Stärke der Divergenz der Gezeiten am Horizont extremaler schwarzer Löcher und das mögliche Auftreten von Gezeiten-Singularitäten stark von den EFT-Koeffizienten abhängt. Die Ergebnisse ihrer Berechnungen legen daher nahe, dass die Raum-Zeit-Geometrie in der Nähe des Horizonts dieser schwarzen Löcher empfindlich auf neue Physik bei höheren Energien reagiert.

'Interestingly, this unexpected singularity is present for the values of these EFT coefficients generated by the Standard Model of particle physics,' Remmen said.

'Our results are surprising, since they imply that the low-energy description of physics can break down in a situation where you wouldn't expect that to happen. In physics, there's usually a sense of 'decoupling' between different distance scales. For example, you don't need to know the details of water molecules to describe waves using hydrodynamics. Yet for rapidly spinning black holes, that's precisely what happens: the low-energy EFT breaks down at the horizon.'

Overall, the calculations carried out by this team of researchers hint at the promise of extremal Kerr black holes for probing new physical phenomena. While the horizon of these black holes can be very large, it was not expected to have an infinitely large curvature (i.e., infinite tidal forces) in the EFT. Their results show that it does.

'In future work, we are interested in exploring whether the singularities can be resolved by ultraviolet physics,' Remmen added. 'A pressing question is whether the sensitivity of the horizon to new physics persists all the way to the Planck scale, or whether the horizon 'smooths out' at the short-distance scale associated with the EFT. We are also looking for other situations in which short distance effects might show up unexpected at large distances.'

Journal information: Physical Review Letters

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