Von der Gravitation zur Strömungsmechanik

Schwarze Löcher zählen zu dem bemerkenswertesten Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie. Im Projekt FLUIDGRAVITY (Fluid dynamics and quantum gravity) gaben die neusten Erkenntnisse bei Branenkosmologie, Stringtheorie und Strömungsmechanik Anlass zur Erforschung von Schwarzen Löchern in mehr als vier Dimensionen – mit überraschenden Ergebnissen.

In einer Raumzeit mit mehr als vier Dimensionen existieren Schwarze Löcher mit exotischen Formen und ungewöhnlicher Dynamik. Die Lösungen der Einsteinschen Gleichungen enthalten mehrere asymptotische Ränder auch hinter Ereignishorizonten, die bei echten Schwarzen Löchern, die durch den gravitationsbedingten Zusammenbruch eines massereichen Sterns entstehen, nicht beobachtet werden können.

Die Wissenschaftler von FLUIDGRAVITY konzentrierten sich auf eine solche Eigenschaft: den inneren Horizont eines Schwarzen Lochs, der von außen nicht beobachtet werden kann. Sie untersuchten Lösungen der skalaren Wellengleichung für ein Schwarzes Loch und wie die erhaltenen Informationen in physikalisch aussagekräftige Observablen übersetzt werden.

Zudem wurden Familien von exakten Lösungen der hoch nicht-linearen Gleichungen für kraftfreien Elektromagnetismus gefunden, welche die komplexen Phänomene darlegen, die in der Region nahe des Horizonts beobachtet werden. Insbesondere wurde ein Großteil des physikalischen Verhaltens der elektrodynamischen Energieextraktion bei rotierenden Schwarzen Löchern festgestellt.

Andererseits können Feldgleichungen nicht analytisch gelöst werden. Daher entwickelten die Wissenschaftler Verfahren, um die Eigenschaften der Teilchenstreuung aus einem Schwarzen Loch ohne analytische Lösung zu extrahieren. Der neue Ansatz ermöglicht eine Abschätzung der Abhängigkeit von Observablen auf Basis der analytischen Eigenschaften der Lösung.

Mit diesen Ergebnissen legten die FLUIDGRAVITY-Wissenschaftler den Grundstein für schwierige jedoch vielversprechende weitere Forschungsarbeit. Ihre Lösungen sind für eine gekrümmte Raumzeit gültig – doch das Universum ist viel komplexer. Anschließend untersuchten Sie anhand der Beziehung zwischen allgemeiner Relativitätstheorie und Hydrodynamik, wie sich Schwarze Löcher bei Störungseinwirkung verhalten.

Durch die laufende Forschung könnten die Physiker mehr über die Auswirkungen von Turbulenzen auf die Raumzeit von Schwarzen Löchern lernen und in Erfahrung bringen, ob Schwerkraftwirbel beobachtbar sind.