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Einfluss von Rotation auf die Dynamik von Materie in der Umgebung eines Schwarzen Lochs

Das Projekt REGMAT erforschte mit innovativen Methoden die Interaktion zwischen Materie und Raumzeitrotation. Das Projekt liefert damit nicht nur neue Erkenntnisse zu Schwarzen Löchern, sondern auch zur Thermalisierung in stark gekoppelten Quantentheorien.

Weltraum

Durch Rotation können sich auch größere Strukturen leicht verformen. Ein Beispiel hierfür ist die Erde: die äquatoriale Wölbung zeigt, dass der Abstand zwischen Nord- und Südpol geringfügig kleiner ist als der Durchmesser des Äquators, was auf die Rotationskräfte zurückzuführen ist. Bei einem Schwarzen Loch tritt ein ähnlicher Effekt ein. Es kann sich drehen, und der Effekt dieser Rotation lässt sich berechnen. Oder nicht? "Das ist eigentlich recht schwierig", sagt Jorge Rocha, Koordinator des Projekts REGMAT (Rotational effects on strongly gravitating systems with matter) an der Universität Barcelona. Wenn die Rotation zur Raumzeit hinzugenommen wird, geht die Kugelsymmetrie verloren und das Problem wird komplexer, da nun mehrere Koordinaten hineinspielen. Außerdem ist ein Schwarzes Loch von einer Akkretionsscheibe umgeben, durch die es bei bekannten Vakuummodellen zu Abweichungen kommt. 1915 wurde das erste und einfachste Konzept eines Schwarzen Lochs ohne Rotation und erst 50 Jahre später auch ein Konzept mit Rotation vorgestellt. Mit seiner Forschung wollte Rocha die Dynamik eines Schwarzen Lochs unter Einfluss von Materie genauer beschreiben, insbesondere die Interaktion zwischen Materie und Raumzeit-Rotation, und fügte hierfür weitere Dimensionen hinzu. "Mit weiteren Raumrichtungen können mehrere Drehimpulse in die Berechnung von Raumzeiten einfließen. Obwohl damit die Probleme noch nicht gelöst sind, gibt es einen entscheidenden Vorteil: bei gerader Anzahl der Raumrichtungen kann eine Klasse von Raumzeiten untersucht werden, die stark symmetrisch ist (mit gleichem Drehimpuls). Zwar liegt damit noch immer keine perfekte Kugelsymmetrie vor, aber das Problem wird handhabbar." Die Forscher gingen auch von der Annahme aus, dass Materie zu unendlich dünnen Oberflächen komprimiert wird. Mit dieser vereinfachenden Idealisierung können Raumzeiten mit Materie konstruiert werden, indem bereits bekannte Vakuumgeometrien einfach "angeklebt" werden. Das Neue an Rochas Ansatz beruht auf (semi-) analytischen Methoden, um Schwerkraft in starken Feldern zu untersuchen und mit wichtigen Rotationseffekten zu kombinieren. Solche Probleme lassen sich normalerweise nur mit komplexen numerischen Modellen darstellen. In zwei Jahren Forschung ermittelte Rocha im Detail die Anisotropien (unterschiedlicher Druck aus unterschiedlicher Richtung), die durch Raumzeitrotation auf Materie wirken. Eine weitere signifikante Aussage betraf die Hypothese des kosmischen Zensors: "Sie ist seit 48 Jahren ein klassisches Problem der Gravitation. Die vereinfachte Version der von Penrose aufgestellten These beschreibt die Unmöglichkeit, dass beim Zerstören des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs eine sichtbare Singularität zurückbleibt. In meinen Studien konnte ich diese Vermutung unter vollständig nichtlinearen Bedingungen und größerer Asymmetrie als bislang testen. So konnten wir auch eine Vielzahl von Fällen untersuchen, indem wir die Dimensionalität der Raumzeit und die Art der Materie veränderten. Die Vermutung konnte in jeder Hinsicht und gegenüber jeglichen Störeinflüssen bestätigt werden", erklärt er. Die Ergebnisse des Projekts werden auch andere Fachgebiete bereichern, insbesondere Forschungen zur Stabilität von anisotropem Plasma mittels AdS/CFT-Korrespondenz. "Hier besteht zunächst offenbar keinerlei Zusammenhang. Diese Korrespondenz impliziert aber, dass die klassische Gravitationsphysik bei Raumzeiten mit bestimmten geometrischen Eigenschaften (Anti-de Sitter, AdS) exakt äquivalent zu einigen stark gekoppelten Eichtheorien ist, die Gravitationswechselwirkungen vollständig vernachlässigen", sagt Rocha. Demnach entspricht die Bildung von Schwarzen Löchern nach AdS der Quantenfeldtheorie, wenn ein thermischer Zustand erreicht wird. Die REGMAT-Methode zur Untersuchung des Gravitationskollapses rotierender Objekte nach AdS kann wiederum die Stabilität anisotroper, stark interagierender Plasmen beschreiben. Damit lassen sich wichtige Aspekte des Quark-Gluon-Plasmas erklären, das mit dem Large Hadron Collider am CERN oder dem RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) beobachtet wird. "Diesen Zusammenhang werde ich noch weiter erforschen", schließt Rocha.

Schlüsselbegriffe

REGMAT, schwarzes Loch, Rotation, Materie, Raumzeit, Gravitation, Penrose, AdS/CFT, anisotropes Plasma, CERN, Collider

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