Mathematisches Modell beschreibt rotierende Schwarze Löcher und Neutronensterne

Seit der ersten direkten Messung von Gravitationswellen im Jahr 2015 hat sich die Gravitationswellenastronomie rasant entwickelt. Nach wie vor ist es jedoch eine Herausforderung, präzise mathematische Modelle für die Gravitationswellensignale zu erstellen, um daraus Informationen über die Physik von Schwarzen Löchern und Neutronensternen zu gewinnen. Dr. Johannes Pirsch (inzwischen Humboldt-Universität zu Berlin), Dr. Domenico Bonocore (inzwischen TU München) und Prof. Dr. Anna Kulesza vom Institut für Theoretische Physik der Universität Münster haben ein neues Modell zur Beschreibung von rotierenden Schwarzen Löchern und Neutronensternen entwickelt, in dem die Rotationseffekte genauer berücksichtigt werden als in bisherigen Ansätzen. Die Arbeit wurde aktuell in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

Die Rotation der Objekte hat einen großen Einfluss auf die Gravitationswellensignale. Allerdings gelten die physikalischen Effekte, die durch die Rotation hervorgerufen werden, als ein besonders komplizierter Aspekt der mathematischen Modelle. Mit der neuen Methode lassen sich die Rotationseffekte von Schwarzen Löchern vollständig (fachsprachlich „zu allen Ordnungen im Drehimpuls“) und für Neutronensterne teilweise („bis zur dritten Ordnung“) erfassen. Darüber hinaus bietet der Ansatz Potenzial für Weiterentwicklungen, sodass präzisere Ergebnisse für rotierende Schwarze Löcher und Neutronensterne erzielt werden können.

Das Team nutzt theoretische Methoden aus der Quantenfeldtheorie und der allgemeinen Relativitätstheorie, insbesondere sogenannte Weltlinienmodelle mit Supersymmetrie. Durch die deutliche Erweiterung funktioniert dieser Ansatz nun auch für schnell rotierende astrophysikalische Objekte wie Schwarze Löcher und Neutronensterne. Damit hat die Gruppe eine als unüberwindbar geltende Grenze der theoretischen Physik überwunden, denn bislang hielten Fachleute die Supersymmetrie nur für geeignet, um langsam rotierende Objekte zu beschreiben.

Die Ergebnisse helfen, Gravitationswellensignale besser zu verstehen und präziser vorherzusagen. Davon profitieren internationale Forschungsprojekte wie die Gravitationswellen-Observatorien LIGO (USA), Virgo (Italien) und KAGRA (Japan) sowie die in Planung befindlichen Gravitationswellendetektoren LISA und das Einstein-Teleskop.

 

Förderung

Die Arbeit erhielt finanzielle Unterstützung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Graduiertenkollegs GRK 2149 „Strong and Weak Interactions – from Hadrons to Dark Matter“, durch den Exzellenzcluster ORIGINS (Grant No. EXC-2094-390783311) sowie durch ein DAAD-Forschungsstipendium für Doktorandinnen und Doktoranden.

 

Originalveröffentlichung

Domenico Bonocore, Anna Kulesza, Johannes Pirsch (2025): Higher-spin effects in black hole and neutron star binary dynamics: worldline supersymmetry beyond minimal coupling. Physical Review Letters 135 (2025) 21, 211404; DOI: 10.1103/58z2-rypz

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• Die AG Kulesza am Institut für Theoretische Physik