Bremsstrahlung von Schwarzen Löchern und Neutronensternen aus der Quantenfeldtheorie
Physiker entwickeln neuen Ansatz zur Bestimmung von Gravitationswellen
Fig 1: Visualisierung der gravitativen Bremsstrahlung aus der Streuung zweier schwarzer Löcher (BSc-Arbeit O. Babayemi)
Fig 2: Feynmangraphen zur Bestimmung der Wellenform. Die gepunkteten Linien repräsentieren die schwarzen Löcher, die Wellen die Gravitationsstrahlung und die Linien Fluktuationen der Bahn der schwarzen Löcher. Quelle: arXiv:2101.12688v3
Wenn zwei massive Objekt (Schwarze Löcher, Neutronensterne oder Sterne) aneinander vorbeifliegen, lenken die gravitativen Wechselwirkungen nicht nur ihre Bahnen ab, sondern sie erzeugen auch Gravitationsstrahlung oder gravitative Bremsstrahlung, in Analogie zum Elektromagnetismus. Die resultierende Gravitationswellen eines solchen Streuereignisses wurden in führender Ordnung in der Newton’schen Gravitationskonstante bereits in den 1970er Jahren mit traditionellen Methoden der Allgemeinen Relativitätstheorie in einer umfangreichen Serie von vier Arbeiten berechnet. Bremsstrahlungsereignisse sind für die aktuelle Generation von Gravitationswellendetektoren noch unerreichbar, da das Signal nicht periodisch und typischerweise weniger intensiv ist. Dennoch sind sie interessante Ziele für zukünftige Suchen mit zukünftigen erd- und weltraumbasierten Observatorien.
In der AG Quantenfeldtheorie um IRIS Adlerhof-Mitglied Prof. Plefka wurde nun ein neuer Ansatz zur Bestimmung dieser Wellenformen (Fig 1) und den Ablenkungen mit Methoden der perturbativen Quantenfeldtheorie entwickelt, der sich als deutlich effizienter als die traditionellen Zugänge erweist. Er basiert auf einer hybriden Quantenfeldtheorie, in der die schwarzen Löcher (oder Sterne) als Punktteilchen idealisiert werden und mit dem Gravitationsfeld wechselwirken. Die Berechnung fußt dann auf einer systematischen diagrammatischen Entwicklung mittels Feynmangraphen. D.h., die Methoden, die ursprünglich für die Streuung von Elementarteilchen entwickelt wurden, können nun auch in astrophysikalischen Szenarien zum Einsatz kommen.
Mit dieser innovativen Methode – der „Worldline Quantum Field Theory“ – konnte kürzlich in einer Serie von drei Publikationen in Physical Review Letters unser Verständnis dieses grundlegenden physikalischen Prozesses deutlich erweitert werden. In [1] wurden die Ergebnisse aus den 1970er Jahren in weitaus effizienterer Weise reproduziert, hierzu war lediglich die Berechnung von drei Feynmangraphen (Fig 2) vonnöten. In [2] konnte die Wellenform für den Fall rotierender schwarzer Löcher und Neutronensterne erweitert werden. In einer kürzlichen Publikation [3] wurden die Streuwinkel und Änderungen in den Impulsen und Rotationen durch den Streuprozess in nächst-nächst-führender Ordnung der Gravitationskonstante erstmalig bestimmt. Hierbei kamen elaborierte Techniken zur Berechnung von Feynmanintegralen zum Einsatz. Die Rotationsfreiheitsgrade der schwarzen Löcher können in dieser neuen Formulierung interessanterweise mir einer supersymmetrischen Weltlinientheorie beschrieben werden [4], die sonst in Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik zum Zuge kommt.
Diese Forschungen finden im Kontext des DFG-Graduiertenkollegs 2575 „Rethinking Quantum Field Theory“ statt, das in Zusammenarbeit mit dem MPI für Gravitationsphysik und DESY an Innovationen in der Quantenfeldtheorie forscht.
Publikationen:
[1] Classical Gravitational Bremsstrahlung from a Worldline Quantum Field Theory
G. U. Jakobsen, G. Mogull, J. Plefka, and J. Steinhoff
Phys. Rev. Lett. 126 (2021) 201103
arxiv: 2101.12688
[2] Gravitational Bremsstrahlung and Hidden Supersymmetry of Spinning Bodies
G. U. Jakobsen, G. Mogull, J. Plefka, and J. Steinhoff
Phys. Rev. Lett. 128 (2022) 011101
arxiv: 2106.10256
[3] Conservative and radiative dynamics of spinning bodies at third post-Minkowskian order using worldline quantum field theory
G. U. Jakobsen and G. Mogull
erscheint in PRL
arxiv: 2201.07778
[4] SUSY in the sky with gravitons
G. U. Jakobsen, G. Mogull, J. Plefka, and J. Steinhoff
JHEP 2201 (2022) 027
arxiv: 2109.04465
Weitere Informationen:
- Videos des Streuprozesses auf Youtube (aus der BSc-Arbeit von O. Babayemi)
Kontakt:
Prof. Dr. Jan Plefka
Sprecher Graduiertenkolleg 2575 „Rethinking Quantum Field Theory“
Institut für Physik & IRIS Adlershof, Arbeitsgruppe Quantenfeld- und Stringtheorie
E-Mail: jan.plefka(at)hu-berlin.de
Tel.: +49 30 2093-66409
Sekr.: +49 30 2093-66413
qft.physik.hu-berlin.de
www2.hu-berlin.de/rtg2575/
Mitteilung IRIS Adlershof vom 4.03.2022