Black hole binaries in shift-symmetric Einstein-scalar-Gauss-Bonnet gravity experience a slower merger phase
Vollständig nichtlineare numerische Simulationen zeigen, dass die verschiebungssymmetrische Einstein-Skalar-Gauss-Bonnet-Gravitation die Verschmelzung von binären Schwarzem Löchern im Vergleich zur Allgemeinen Relativitätstheorie aufgrund von Skalar-Dipolstrahlung beschleunigt, während starke feldkonservative Dynamiken diese Beschleunigung signifikant unterdrücken, was zu einer langsameren Verschmelzungsphase führt, als durch Post-Newtonian-Approximationen vorhergesagt wird.
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Die Gravitation ist die Kraft, die das Universum formt, indem sie Planeten in ihre Umlaufbahnen hält und den Pfad des Lichts krümmt. Seit über einem Jahrhundert ist unsere beste Beschreibung dieser Kraft Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, die die Gravitation nicht als einen Zug, sondern als eine Krümmung von Raum und Zeit darstellt, die durch Masse verursacht wird. Obwohl diese Theorie bisher jedem Test standgehalten hat, der ihr entgegengesetzt wurde, vermuten Wissenschaftler, dass sie ein unvollständiges Bild liefert, insbesondere in den extremsten Umgebungen, in denen die Gravitation unglaublich stark ist. Um dies zu erforschen, suchen Forscher nach subtilen Abweichungen im Verhalten von Schwarzen Löchern, den massereichsten und dichtesten Objekten der Existenz. Wenn zwei Schwarze Löcher aufeinander zusteuern und kollidieren, erzeugen sie Krümmungen in der Raumzeit, die als Gravitationswellen bekannt sind. Diese Wellen tragen eine detaillierte Aufzeichnung des Ereignisses in sich, die es Astronomen ermöglicht, den letzten Moment der Kollision „anzuhören“ und zu prüfen, ob die Regeln des Spiels mit Einsteins Vorhersagen übereinstimmen oder ob etwas Neues am Werk ist.
Ein spezifisches Interessengebiet betrifft Theorien, die eine neue, unsichtbare Feldkomponente zu Einsteins Gleichungen hinzufügen, ganz ähnlich wie das Hinzufügen einer neuen Zutat zu einem Rezept. Eine solche Theorie, genannt shift-symmetrische Einstein-Skalar-Gauss-Bonner-Gravitation, legt nahe, dass Schwarze Löcher nicht nur leere Punkte unendlicher Dichte sind, sondern von einer schwachen, unsichtbaren Wolke dieses neuen Feldes umgeben werden. Diese Wolke, oder „Skalarladung“, verändert die Art und Weise, wie die Schwarzen Löcher miteinander interagieren. Laut den über Jahrzehnte verwendeten mathematischen Näherungsverfahren sollte dieses zusätzliche Feld dazu führen, dass Schwarze Löcher Energie schneller verlieren und schneller zusammen spiralisieren, als es die Theorie Einsteins vorhersagt. Die Erwartung war, dass diese Beschleunigung ein klares, unverkennbares Signal in den Daten wäre, das von Detektoren wie LIGO und Virgo leicht erkannt werden könnte. Diese alten Berechnungen stützten sich jedoch auf vereinfachende Annahmen, die gut funktionieren, wenn die Schwarzen Löcher weit voneinander entfernt sind, aber versagen, wenn sie nah genug für einen Aufprall sind.
Um zu sehen, was wirklich passiert, wenn diese Schwarzen Löcher nahe kommen, führten ein Team von Forschern leistungsstarke Computersimulationen durch, die die volle, chaotische Realität der Kollision modellierten, ohne sich auf jene vereinfachenden Abkürzungen zu verlassen. Sie erstellten ein digitales Doppel eines Verschmelzungsprozesses eines Schwarzen Lochs, ähnlich dem ersten jemals detektierten, bekannt als GW150914, und beobachteten, wie er sich unter der neuen Theorie im Vergleich zur Standard-Einstein-Gravitation entwickelte. Sie verwendeten zwei verschiedene, unabhängige Computercodes, um sicherzustellen, dass ihre Ergebnisse nicht bloß ein Fehler in einem spezifischen Programm waren. Die Simulationen zeigten, dass die Schwarzen Löcher in der neuen Theorie in der Tat schneller verschmolzen als in der Einsteinschen Version, was bestätigte, dass die unsichtbare Wolke den Prozess tatsächlich beschleunigt. Die Beschleunigung fiel jedoch weitaus weniger dramatisch aus, als die alten mathematischen Formeln vorhergesagt hatten. Der Unterschied war nicht die massive, offensichtliche Lücke, die die Näherungen suggerierten, sondern eine viel subtilere Verschiebung.
Die Forscher entdeckten, dass der Grund für diese geringere als erwartete Beschleunigung in der Art und Weise liegt, wie die Schwarzen Löcher ihre Energie halten. In der neuen Theorie verändert das Vorhandensein der unsichtbaren Wolke die Art und Weise, wie die Schwarzen Löcher aneinander gebunden sind. Um die Umlaufbahn um einen bestimmten Betrag zu verkleinern, muss das System tatsächlich mehr Gesamtenergie verlieren, als es in der Einstein-Theorie tun würde. Es ist, als ob die Schwarzen Löcher stärker gegen den Sog der Wolke ankämpfen und einen größeren Energieaufwand benötigen, um näher zusammenzurücken. Während die zusätzliche Strahlung der Wolke sie zwar schneller zusammentreibt, bremst dieser erhöhte Widerstand durch die Veränderung der Struktur der Raumzeit den Prozess erheblich ab. Die beiden Effekte heben sich teilweise gegenseitig auf, was zu einer Verschmelzung führt, die schneller ist als die Vorhersage Einsteins, aber bei weitem nicht so schnell wie die einfachen Formeln vermuten ließen.
Diese Erkenntnis ist entscheidend, da sie die Art und Weise verändert, wie Wissenschaftler die Signale interpretieren, die sie aus dem Kosmos empfangen. Wenn Forscher davon ausgehen, dass die alten, einfachen Formeln bis zum Moment des Aufpralls korrekt sind, könnten sie die Daten missinterpretieren und glauben, die Schwarzen Löcher seien schwerer oder würden sich anders drehen, als sie es tatsächlich tun. Die Studie legt nahe, dass der Übergang von der langsamen, vorhersehbaren Phase der Umlaufbahn zum chaotischen finalen Absturz komplexer ist als bisher angenommen. Die unsichtbare Wolke wirkt nicht nur wie eine einfache Bremse oder ein Beschleuniger; sie verändert grundlegend die Energiebilanz des Systems auf eine Weise, die erst erscheint, wenn die Gravitation am stärksten ist. Dies bedeutet, dass Wissenschaftler, um diese neuen Theorien wirklich zu testen, sich nicht auf grobe Schätzungen verlassen können. Sie müssen dem gesamten „Lied“ der Kollision zuhören, vom ersten Ton bis zur letzten Stille, und dabei die volle Kraft von Computersimulationen nutzen, um die subtilen Unterschiede zu entschlüsseln, die die Natur im Bereich der starken Felder verbirgt.
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