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Strong curvature corrections to General Relativity: consequences for astrophysics and for particle physics

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Starke Gravitation geht über allgemeine Relativität hinaus

Seit deren Einführung vor 100 Jahren hat sich die Allgemeine Relativitätstheorie als genaue Methode zur Beschreibung von Gravitationskräften erwiesen. Vor Kurzem gaben Physiker bekannt, dass Einsteins Gleichungen nicht auf alles eine Antwort gäben und suchten nach Bereichen, die der Verbesserung bedürfen, um die Materie Schwarzer Löcher zu beschreiben.

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Die am EU-finanzierten ASTRONGR-Projekt arbeitenden Physiker versuchten starke Gravitationsfelder zu erforschen, in denen Abweichungen von der allgemeinen Relativität auftreten könnten. Schwarze Löcher wurden hierbei als „kosmische Labore“ zum Testen des Kräftefeldbereichs von Einsteins Theorie verwendet. Die Struktur dieser kompakten Objekte wurde unter Anwendung verschiedener Gravitationstheorien, Skalar-Tensor-Theorien untersucht. Auch wenn sich das aktuelle Theoriemodell zu Schwarzen Löchern mit der Allgemeinen Relativitätstheorie deckt, stimmt es möglicherweise nicht mit diesen Erweiterungen zu Einsteins Theorie überein. Die ASTRONGR-Wissenschaftler führten daher eine Reihe von Berechnungen zu Schwarzen Löchern durch, die von Materie umgeben sind. Es wurden verschiedene Mechanismen entdeckt, über die Schwarze Löcher infolge von Störeinflüssen in deren Umgebung instabil werden können. Auf lange Sicht könnten Beobachtungen über Instrumente, die in der Lage sind, Gravitationswellen aufzuzeichnen, die Erkenntnisse der ASTRONGR-Wissenschaftler stützen. Bestehende astronomische Beobachtungen rotierender Schwarzer Löcher halfen den Wissenschaftlern ferner dabei, einen grundlegenden Aspekt des Standardmodells zu testen und ermöglichten den Forschern, sehr strenge Begrenzungen für die Masse von Photonen zu bestimmen, die mehrere hundert Milliarden mal geringer sein soll, als die Masse von Neutrinos. Die ASTRONGR-Wissenschaftler bestimmten ferner theoretische Begrenzungen für die Reibung dunkler Materie, die in primordialen Schwarzen Löchern verborgen ist. Konkret wurde die Möglichkeit ausgeschlossen, dass sich dunkle Materie aus diesen Schwarzen Löchern zusammensetzt, die entstanden, als dichte Regionen des frühen Universums angesichts der Gravitation kollabierten. Die verschiedenen Entdeckungen werden in 22 Beiträgen beschrieben, die für die Veröffentlichung in international renommierten Zeitschriften wie der angesehenen Zeitschriften-Familie Physical Review Letters und der Fachzeitschrift Physical Review D bestimmt sind. Die ASTRONGR-Wissenschaftler präsentierten ihre Erkenntnisse zudem auf großen Wissenschaftskonferenzen in Kanada, Italien und Japan. Das ASTRONGR-Projekt hat zu einem besseren Verständnis der Gravitationsursprünge beigetragen. Schwarze Löcher und weitere kompakte Objekte wie bspw. Neutronensterne haben nicht nur das Potenzial für mögliche Verbesserungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, sondern auch zur Herstellung einer einleuchtenden Verbindung zwischen Gravitation und Quantenmechanik. Angespornt durch den Auftrieb der Gravitationswellen-Astronomie hat das ASTRONGR-Projekt den Weg für neue Studien geebnet.

Schlüsselbegriffe

Gravitation, allgemeine Relativität, Schwarze Löcher, Gravitationswellen, Neutronensterne

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21 Oktober 2020