Die Simons Foundation stellt acht Millionen US-Dollar für eine weltweite Kollaboration im Bereich Schwarze Löcher und starke Gravitation bereit

Das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam ist Teil des Netzwerks mit dem Ziel, die in Gravitationswellen-Daten verborgenen Geheimnisse zu entschlüsseln.

Die nun erstmals geförderte „Simons Collaboration on Black Holes and Strong Gravity“ wird die Arbeit von zwölf Institutionen unterstützen. Sie wird Expert*innen für Gravitation und Schwarze Löcher aus den Bereichen theoretische Physik, Mathematik, numerische Berechnung, KI-gestützte Datenanalyse und Gravitationswellen-Beobachtung zusammenbringen. Auf dem Weg in das Zeitalter der präzisen Gravitationswellen-Physik wird dieses multidisziplinäre Projekt unser Verständnis der nichtlinearen Gravitation vertiefen. Die Kollaboration wird einen robusten theoretischen Rahmen entwickeln, um die in Gravitationswellen-Daten verborgenen Informationen über starke Gravitation zu interpretieren. Dieser umfasst das Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie im Universum, das Wesen der Dunklen Materie und mögliche Erweiterungen der Einsteinschen Allgemeinen Relativitätstheorie.

„Sobald die geplanten Ausbauarbeiten der Gravitationswellen-Detektoren Advanced LIGO, Virgo und KAGRA in den nächsten Jahren abgeschlossen sind, werden diese Instrument doppelt so empfindlich sein wie heute. Dadurch wird sich das Volumen des Universums, das wir mit Gravitationswellen-Daten erfassen können, um das Achtfache vergrößern“, sagt Jonathan Gair, leitender Forscher der neuen Kollaboration und Gruppenleiter in der Abteilung Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut/AEI) im Potsdam Science Park.

Mit der höheren Empfindlichkeit der Gravitationswellen-Detektoren sind präzisere Messungen möglich. Diese wiederum können neue physikalische Effekte sichtbar machen. Aber nur, wenn es genaue Modelle dieser Effekte gibt, lassen sie sich auch identifizieren. Kommen Modelle zum Einsatz, die in den Signalen enthaltene Effekte nicht korrekt berücksichtigen, so können mögliche Entdeckungen übersehen oder falsch interpretiert werden. Zu den möglicherweise falsch modellierten Effekten zählen die (Nicht-)Existenz von Abweichungen von der allgemeinen Relativitätstheorie, Artefakte in den Instrumenten und zufällige Schwankungen des Rauschens im Detektor. Aber auch „Fingerabdrücke“ astrophysikalischen Ursprungs in den Signalen zählen dazu, wie die von einer Akkretionsscheibe oder von der Anwesenheit eines dritten Objekts in der Nähe verschmelzender Schwarzer Löcher.

„Unser Ziel ist es, mögliche neue physikalische Effekte so genau wie möglich vorherzusagen. Damit wollen wir die Geheimnisse entschlüsseln, die in den Beobachtungsdaten verborgen sind“, sagt Gair. „Unser Forschungsschwerpunkt am AEI wird sein, zu verstehen, was aus praktischer Sicht messbar ist und wie man das schafft. Wir werden mit einigen der anderen leitenden Forschenden zusammenarbeiten, um flexible, modellfreie Suchverfahren für neue Physik zu entwickeln. Wir wollen auch ermitteln, wie sich die Ergebnisse solcher Analysen im Hinblick auf die zugrunde liegenden physikalischen Prozesse interpretieren lassen.“

Die Physik der starken Gravitation untersuchen

Die Gravitation ist eine der Grundpfeiler der theoretischen Physik. Die Forscher*innen der neuen Kooperation werden am Verständnis der Gravitation in den dynamischsten und extremsten astrophysikalischen Umgebungen arbeiten – dort, wo Schwarze Löcher zusammenstoßen und wo die Gravitation dynamisch und stark nichtlinear ist. Das Verständnis der Gravitation in solch extremen Umgebungen kann viel über das Universum verraten und Tests von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ermöglichen.

Nicolás Yunes, Physikprofessor an der University of Illinois und designierter Direktor der Kollaboration, sagt, dass jetzt der richtige Zeitpunkt für den Aufbau dieses globalen Netzwerks aus Expert*innen verschiedener Disziplinen in den Bereichen starke Gravitation und Schwarze Löcher sei, da sich die Beobachtungsmöglichkeiten für Gravitationswellen rasch entwickelten. „Wir bewegen uns auf das Zeitalter der Präzisionsphysik mit Gravitationswellen zu“, kommentiert Yunes. „Dieses neue Zeitalter muss von multidisziplinären Anstrengungen begleitet werden, um unser Verständnis der nichtlinearen Gravitation zu vertiefen. Andernfalls werden wir die in den Gravitationswellen-Daten verborgenen Geheimnisse übersehen. Noch schlimmer wäre es, wenn wir unsere Beobachtungen falsch interpretieren und in die falsche Richtung geführt werden.“

Die Simons Collaboration on Black Holes and Strong Gravity

In einer ersten, vier Jahre dauernden Phase werden mit Fördermitteln in Höhe von 8 Millionen US-Dollar zwölf leitende Forscher*innen aus zwölf Institutionen sowie Wissenschaftler*innen aus mehr als 20 weiteren Instituten aus Physik, Mathematik und Datenwissenschaft zusammengebracht. Am AEI sind Alessandra Buonanno, Direktorin der Abteilung Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie, und Masaru Shibata, Direktor der Abteilung Numerische und Relativistische Astrophysik, assoziierte Mitglieder. Die Zusammenarbeit umfasst analytische Berechnungen und Computersimulationen, die mittels Beobachtungen überprüft werden. Die Förderung umfasst die Unterstützung von Postdoktorand*innen und Doktorand*innen sowie die Finanzierung von Reisen zwischen den beteiligten Institutionen und verschiedenen jährlichen Treffen.

An der neuen Zusammenarbeit sind folgende Einrichtungen beteiligt:

• die University of Illinois,
• die Johns Hopkins University,
• die Queen Mary University of London,
• die Montana State University,
• das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik,
• das Niels-Bohr-Institut, Universität Kopenhagen,
• die Universität Chicago,
• die University of California, Santa Barbara,
• das Perimeter Institute for Theoretical Physics,
• die Vanderbilt University,
• das Institute for Advanced Study,
• die Princeton University.

Die Simons Foundation und die Simons Collaborations

Die Simons Foundation wurde 1994 vom Mathematiker und Hedgefonds-Manager James Simons und seiner Frau Marilyn gegründet. Sie ist eine der größten gemeinnützigen Organisationen in den Vereinigten Staaten und fördert Mathematik und Grundlagenforschung.

Das Ziel des Programms „Simons Collaborations in the Mathematics and Physical Sciences” ist es, Fortschritte bei grundlegenden wissenschaftlichen Fragen von großer Bedeutung in den Bereichen Mathematik, theoretische Physik und theoretische Informatik zu fördern.