Simulation von Schwarzen Löchern

Wissenschaftler in Penn State haben einen Meilenstein beim Versuch zwei umsich rotierende Schwarze Löcher zu modellieren erreicht. Die Simulationsergebnisse zeigen ein Ereignis, welches sehr starke Gravitationswellen hervorbringt.

Ein Beitrag von Andreas Tramposch. Quelle: Spaceflight Now.

“Wir haben erstmals einen Weg entdeckt zwei umsich rotierende Schwarze Löcher numerisch zu modellieren,” sagte Bernd Bruegmann, Professor der Physik und Forscher am Penn State Institut für Gravitation.
Schwarze Löcher werden durch Einsteins Allgemeinen Relativitätstheorie definiert, die auf der einen Seite eine sehr genaue Beschreibung der Gravitationswechselwirkungen gibt. Auf der anderen Seite sind Einsteins Gleichungen sehr kompliziert und schwierig zu lösen. Darüber hinaus bringen Schwarze Löcher ihre eigenen Probleme mit sich. Jedes Objekt, das zu nahe an das Schwarze Loch herankommt wird in das Innere gezogen ohne jeglicher Chance der enormen Anziehung jemals wieder entkommen zu können. Ganz im Gegenteil, diese Objekte werden unter den enormen Gravitationskräfte gedehnt und entzwei gerissen.

“Wenn wir diese extremen Bedingungen am Computer simulieren, versucht das Schwarze Loch jedesmal unser numerisches Gitter aus Punkten, das wir zur Anpassung des Schwarze Loches verwenden, zu verschlingen und entzwei zureißen,” sagt Bruegmann. “Ein einzelnes Schwarzes Loch ist schwierig genug zu simulieren, aber gleich zwei um sich rotierende Schwarze Löcher zu simulieren stellt allein wegen der hohen nichtlinearen dynamischen Effekten von Einsteins Theorie ein gewaltiges Problem dar.” Computersimulationen von Schwarzen Löchern tendieren instabil zu werden und nach einer gewissen Zeit abzustürzen. Diese Zeit ist klar geringer wie jene Zeit, die ein Schwarze Loch für eine Umdrehung benötigt.

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Computermodellation von zwei Schwarzen Löchern. Der schwarze Bereich präsentiert den Bereich dem nichts mehr entkommen kann.

“Die Technik die wir entwickelt haben basiert auf einem Gitter, das sich mit den Schwarzen Löchern mitbewegt, was eine Verminderung dessen Bewegung und Verzerrung zur Folge hat. Das bringt uns genug Zeit dem Schwarze Loch eine Umdrehung zu gewähren, bevor die Simulation abstürzt,” sagt Bruegmann. Um diese Strategie zu veranschaulichen präsentiert Bruegmann eine Analogie: “Falls Sie neben einem Karussell stehen und eine bestimmte Person am Karussell beobachten möchten, müssen Sie Ihren Kopf bewegen um diese Person während sie sich dreht zu beobachten. Aber wenn Sie am Karussell stehen, brauchen Sie nur in eine Richtung zu schauen, weil sich die Person nicht mehr in Relation zu Ihnen bewegt. Nun bewegen Sie sich mit der Person in einem Kreis.”

Die Konstruktion des mitbewegenden Gitters ist eine wichtige Verbesserung des Erfolgs der Computersimulation. Das Ergebnis ist ein ausführliche Simulation, die für zwei umsich rotierende Schwarze Löcher ungefähr eine Umdrehung andauert. Das Forscherteam rund um Bruegmann schauen mit Zuversicht in die Zukunft diese Computersimulationen über einen längeren Zeitraum laufen zu lassen. Abhay Ashtekar, Direktor vom Institut für Gravitation bringt den Erfolg auf einen Punkt: “Die momentane Simulationen von Professor Bruegmann und seinem Forscherteam sind ein Meilenstein, denn sie öffnen das Tor numerische Analysen von einer Kollision zweier Schwarzer Löcher durchzuführen, welches sich unter den interessantesten Ereignissen der Gravitationswissenschaft befindet.”

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