Quelle: ZARM. 29. April 2025.

29. April 2025 – Einsteins Gravitationsphysik hat die moderne Wissenschaft revolutioniert und zu vielen erfolgreichen Vorhersagen geführt, beispielsweise über Schwarze Löcher, Gravitationswellen und die Entwicklung des gesamten Universums. Allerdings stößt die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) zusammen mit dem Standardmodell der Teilchenphysik auch an ihre Grenzen. Auf der einen Seite gibt es Beobachtungen, wie die beschleunigte Ausdehnung des Universums oder die Bewegung von Sternen am Rand von Galaxien, die nur dann mit den Vorhersagen der Theorie übereinstimmen und erklärt werden können, wenn man annimmt, dass unbekannte Komponenten im Universum existieren, die wir dunkle Energie und dunkle Materie nennen. Andererseits sagt die ART voraus, dass die Gravitationskraft in bestimmten Regionen des Universums unendlich stark wird, sodass es bis heute nicht möglich ist, Einsteins Gravitationstheorie mit allen anderen Kräften der Natur (elektromagnetische Kraft, schwache und starke Kernkraft) in Einklang zu bringen. Beim Verständnis der Gravitation bleiben also viele Fragen offen, die Physiker:innen weltweit dazu antreiben, nach einer Erweiterung oder Modifikation der ART zu suchen, die die bis heute unerklärten Phänomene der Gravitation erklärbar macht.

Gestern ist im „Physical Review D“ die neueste Publikation von Christian Pfeifer und Dennis Rätzel vom ZARM sowie Daniel Braun von der Universität Tübingen erschienen, die sich mit dem Test der ART beschäftigt. Sie schlagen vor, die Eigenschaften der Gravitation mit Teilchen zu testen, deren Geschwindigkeit sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit liegt. Diese ultrarelativistischen (oder einfach sehr schnellen) Teilchen erzeugen ein Gravitationsfeld, welches ruhende Testteilchen, an denen sie vorbeifliegen, anzieht. Die Bewegung der Testteilchen kann theoretisch vorhergesagt und mit der beobachteten Bewegung verglichen werden, sodass die Testteilchen als Sensoren für die Gravitation genutzt werden können. Das Besondere an dem hier vorgeschlagenen Experiment ist, dass die Gravitationsanziehung, die von den ultrarelativistischen Teilchen erzeugt wird, hauptsächlich durch die sehr hohe Geschwindigkeit – also ihrer sehr hohen kinetischen Energie – und nicht durch die Ruhemassenenergie der Teilchen entsteht. Das Experiment misst also, wie die Gravitation der kinetischen Energie aussieht. Stimmt sie mit den Vorhersagen der ART überein oder gibt es Abweichungen?

Abweichung rechnerisch vorhergesagt

In einem mathematischen Modell, das auf einer Modifikation der ART beruht, haben die Forscher die Beschleunigung des Testteilchens und den Impulstransfer durch die Gravitation der vorbeifliegenden ultrarelativistischen Teilchen rechnerisch vorhergesagt. Die Ergebnisse zeigen, dass es einen Parameterbereich gibt, in dem der vom Modell berechnete Impulstransfer signifikant von den Vorhersagen der ART abweicht. Diese Abweichung nimmt mit steigender Geschwindigkeit des ultrarelativistischen Teilchenstroms zu.

Das Besondere ist, dass dieses Experiment sogar praktisch durchgeführt werden könnte, und zwar mithilfe des Teilchenbeschleunigers LHC (Large Hadron Collider), der von der Europäischen Organisation für Kernforschung CERN bei Genf betrieben wird. Dort werden Protonen auf rund 99,99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Was für das Experiment noch fehlt, sind Testteilchensensoren, die rund um die Beschleunigungsröhre des LHC angebracht werden und auf das Gravitationsfeld der Protonen reagieren. Die technischen Details für die Installation solcher Sensoren werden derzeit untersucht.

Weitere Informationen
Bildquelle: CERN
Publikation: https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.111.084073
ZARM Website: Pressemitteilung

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Large Hadron Collider

Der Beitrag ZARM: Forscherteam entwickelt neuen Test zur Überprüfung von Einsteins Gravitationstheorie im Large Hadron Collider erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main 15. Februar 2024.

15. Februar 2024 – Würde es Gravasterne tatsächlich geben, sähen sie für einen weit entfernten Beobachter ähnlich aus wie Schwarze Löcher. Zwei theoretische Physiker der Goethe-Universität Frankfurt haben jetzt eine neue Lösung der Allgemeinen Relativitätstheorie Albert Einsteins gefunden, derzufolge Gravasterne aufgebaut sein könnten wie eine russische Matrjoschka-Puppe: Im Inneren eines Gravasterns befände sich sein weiterer Gravastern.

Das Innere Schwarzer Löcher ist für die Wissenschaft eine harte Nuss: Der deutsche Physiker Karl Schwarzschild fand 1916 eine Lösung für die Gleichungen Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, derzufolge sich im Zentrum eines schwarzen Lochs eine sogenannte Singularität befindet, ein Punkt, an dem Raum und Zeit nicht mehr existieren. Alle physikalischen Gesetze, also auch Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, habe dort keine Gültigkeit mehr, das Prinzip der Kausalität ist aufgehoben. Das ist ein großes Ärgernis für die Wissenschaft, denn jenseits des sogenannten Ereignishorizonts können keine Informationen aus einem Schwarzen Loch nach außen dringen. Wohl auch aus diesem Grund fand Schwarzschilds Lösung lange Zeit außerhalb der Theorie keine größere Beachtung, bis 1971 der erste Kandidat für ein Schwarzes Loch entdeckt, in den 2000er-Jahren das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße nachgewiesen und schließlich 2019 das erste Bild eines Schwarzen Lochs durch die Event Horizon Telescope Collaboration veröffentlicht wurde.

2001 schlugen die beiden Wissenschaftler Pawel Mazur und Emil Mottola eine andere Lösung für Einsteins Feldgleichungen vor, die zu Objekten führten, die sie Gravasterne nannten. Im Gegensatz zu Schwarzen Löchern haben Gravasterne aus Sicht der theoretischen Astrophysik mehrere Vorteile: Einerseits sind sie nahezu so kompakt wie Schwarze Löcher und besitzen ebenso wie diese an ihrer Oberfläche eine Gravitationskraft, die praktisch so stark ist wie die eines Schwarzen Lochs, sodass ihr nicht einmal Licht entkommen kann. Allerdings haben sie keine Grenze, innerhalb der keine Art von Information nach außen dringen kann, den so genannten Ereignishorizont, und in ihrem Inneren gibt es keine Singularität. Vielmehr besitzen Gravasterne einen Kern aus exotischer – dunkler – Energie, die den Gegendruck zur ungeheuren Gravitationskraft hält, die den Stern zusammenpresst. Die Oberfläche von Gravasternen bildet eine hauchdünne Haut aus gewöhnlicher Materie, deren Dicke gegen Null geht.

Die beiden theoretischen Physiker Daniel Jampolski und Prof. Luciano Rezzolla haben jetzt eine Lösung der Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie vorgestellt, die einen Gravastern im Innern eines weiteren Gravasterns beschreibt. Diesem – hypothetischen – Himmelsobjekt haben sie den Namen „Nestar“ gegeben (von englisch nested = verschachtelt).

Daniel Jampolski, der die Lösung in seiner durch Prof. Luciano Rezzolla betreuten Bachelorarbeit fand, meint: „Der Nestar ist wie eine russische Matrjoschka, und unsere Lösung der Feldgleichungen lässt auch eine ganze Reihe von ineinander geschachtelten Gravasternen zu.“ Während der Gravastern nach Mazur und Mottola eine nahezu unendlich dünne Haut aus normaler Materie habe, hat der Nestar eine etwas dickere Materiehülle: „Man kann sich etwas leichter vorstellen, dass es so etwas geben könnte.“

Luciano Rezzolla, Professor für theoretische Astrophysik an der Goethe-Universität, erläutert: „Es ist toll, dass es auch 100 Jahre nach Schwarzschilds erster Lösung der Einstein’schen Feldgleichungen aus der allgemeinen Relativitätstheorie noch möglich ist, neue Lösungen zu finden. Das ist ein bisschen so, wie wenn man in einer vermeintlich erschöpften Mine auf eine Goldader stößt. Leider haben wir noch keine Vorstellung davon, wie solch ein Gravastern entstehen könnte. Doch selbst wenn Nestare nicht existieren sollten, hilft uns die Erforschung der mathematischen Eigenschaften dieser Lösungen letztlich dabei, Schwarze Löcher besser zu verstehen.“

Publikation:
Daniel Jampolski, Luciano Rezzolla: Nested solutions of gravitational condensate stars. Classical Quantum Gravity (2023) https://doi.org/10.1088/1361-6382/ad2317
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6382/ad2317

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• physikalische Grundlagenforschung

Der Beitrag Ein Stern wie eine Matrjoschka-Puppe: Neue Theorie für Gravasterne erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: WWU.

3. Dezember 2021 – In kosmologischen Rechnungen wird fast immer angenommen, dass die Materie im Universum gleichmäßig verteilt ist. Das liegt daran, dass die Berechnungen zu kompliziert würden, würde man die Position jedes einzelnen Sterns einbauen. In Wirklichkeit ist das Universum nicht gleichmäßig. An manchen Stellen befinden sich Sterne und Planeten, an anderen herrscht Leere. Die Physiker Michael te Vrugt und Prof. Dr. Raphael Wittkowski vom Institut für Theoretische Physik und vom Center for Soft Nanoscience (SoN) der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster haben jetzt mit der Physikerin Dr. Sabine Hossenfelder vom Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) ein neues Modell für dieses Problem entwickelt. Ausgangspunkt ist der Mori-Zwanzig-Formalismus, eine Methode zur Beschreibung von Systemen aus sehr vielen Teilchen mit einer kleinen Anzahl von Messgrößen. Die Ergebnisse der Studie sind in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Zum Hintergrund: Die von Albert Einstein entwickelte Allgemeine Relativitätstheorie (ART) ist eine der erfolgreichsten Theorien der modernen Physik. Zwei der letzten fünf Physiknobelpreise betrafen dieses Gebiet: 2017 für die Messung von Gravitationswellen, 2020 für die Entdeckung eines schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße. Eine der wichtigsten Anwendungen der ART ist die Beschreibung der kosmischen Expansion, also der Ausdehnung des Universums seit dem Urknall. Die Geschwindigkeit dieser Ausdehnung wird von der Menge an Energie im Universum bestimmt. Neben der sichtbaren Materie spielen hier – zumindest gemäß dem aktuell in der Kosmologie verwendeten „Lambda-CDM-Modell“ – vor allem die dunkle Materie und dunkle Energie eine Rolle.

„Streng genommen, ist es mathematisch falsch, den Mittelwert der Energiedichte des Universums in die Gleichungen der ART einzusetzen“, betont Sabine Hossenfelder. Die Frage ist nun, wie „schlimm“ dieser Fehler ist. Manche Experten halten ihn für irrelevant, andere sehen darin die Lösung für das Rätsel der dunklen Energie, deren physikalische Natur bislang unbekannt ist. Eine ungleichmäßige Verteilung der Masse im Universum kann sich auf die kosmische Expansionsgeschwindigkeit auswirken.

„Der Mori-Zwanzig-Formalismus wird bereits in sehr vielen Forschungsgebieten von der Biophysik bis zur Teilchenphysik erfolgreich eingesetzt, daher bot er auch für dieses astrophysikalische Problem einen vielversprechenden Ansatz“, erklärt Raphael Wittkowski. Das Team verallgemeinerte diesen Formalismus, sodass er auf die ART angewendet werden konnte, und leitete so ein Modell für die kosmische Expansion unter Berücksichtigung kosmischer Ungleichmäßigkeiten her.

Das Modell macht eine konkrete Vorhersage für die Auswirkung dieser sogenannten Inhomogenitäten auf die Geschwindigkeit der Ausdehnung des Universums. Diese weicht leicht von der Vorhersage des Lambda-CDM-Modells ab und bietet daher eine Möglichkeit, das neue Modell experimentell zu testen. „Aktuell sind die astronomischen Daten nicht genau genug, um diese Abweichung zu messen, aber die großen Fortschritte etwa bei der Messung von Gravitationswellen bieten Anlass zur Hoffnung, dass sich das ändert“, sagt Michael te Vrugt. „Außerdem lässt sich die neue Variante des Mori-Zwanzig-Formalismus auch auf andere astrophysikalische Probleme anwenden, die Arbeit ist also nicht nur für die Kosmologie relevant.“

Finanzierung
Michael te Vrugt wird durch ein Promotionsstipendium der Studienstiftung des deutschen Volkes gefördert. Sabine Hossenfelder erhält finanzielle Unterstützung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, HO 2601/8-1). Die Arbeitsgruppe Wittkowski wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, WI 4170/3-1) finanziert.

Originalpublikation
M. te Vrugt, S. Hossenfelder, R. Wittkowski (2021). Mori-Zwanzig formalism for general relativity: a new approach to the averaging problem. Physical Review Letters 127, 231101. DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.231101

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Kosmologie

Der Beitrag Das ungleichmäßige Universum erschien zuerst auf Raumfahrer.net.