Gravitationswellenphysik höchster Präzision aus einer Weltlinienquantenfeldtheorie
Deutsche Projektbeschreibung
Dieses Projekt wird die Gravitationswellen mit höchster Präzision bestimmen, die bei der Begegnung zweier Schwarzer Löcher oder Neutronensterne in unserem Universum emittiert werden.
Die Gravitationswellen, die aus solchen heftigen Verschmelzungen hervorgehen, werden routinemäßig an den LIGO-Virgo-KAGRA-Observatorien seit ihrer Entdeckung im Jahr 2016 nachgewiesen. Mit
der derzeit geplanten dritten Generation von Observatorien wird die experimentelle Genauigkeit dieser Messungen dramatisch zunehmen.
Um dies zu erreichen, sind daher theoretische Vorhersagen für die emittierten Wellenformen von höchster Präzision erforderlich. Zu bestimmen sind hier die Quellparameter, wie Massen, Spins und intrinsische Parameter der beiden kompakten Objekte. Um diese Wellenformen zu erhalten, müssen die extrem schwierigen Einstein'schen Feldgleichungen gelöst werden. Zentrale Herausforderungen sind die Einbeziehung von Strahlungs- und Spineffekten bei hoher Präzision sowie ein Zugang zum starken Gravitationsregime. Zusammen mit meiner Forschungsgruppe habe ich kürzlich einen Quantenformalismus entwickelt, um dieses klassische Physikszenario effizient zu lösen – die Weltlinienquantenfeldtheorie. Methodisch in der Elementarteilchenphysik verwurzelt ist es der führende Formalismus zur Berechnung der Gravitationswellen von kollidierenden rotierenden Schwarzen Löchern und Neutronensternen. Mein Ziel ist es, den Anwendungsbereich der Weltlinienquantenfeldtheorie zu erweitern, um Strahlungs-, höhere Spin- und Gezeiteneffekte einzubeziehen, die zwischen Schwarzen Löcher und Neutronensternen diskriminieren. Außerdem werde ich eine versteckte Supersymmetrie in der Streuung von zwei rotierenden schwarze Löcher enträtseln. Schließlich werde ich durch Anpassung an gekrümmte Raumzeiten theoretische Werkzeuge entwickeln, die anwendbar uns zur Beschreibung von starken Gravitationsfeldern führen, so wie sie in der Nähe der Verschmelzung der kompakten Objekte entstehen. Diese sind derzeit nicht erreichbar mit analytischen Methoden. Unsere Ergebnisse werden die Grundlage dafür schaffen, Einsteins Gravitationstheorie in extremen Regionen zu testen, birgt das Potenzial
Abweichungen von der bekannten Physik zu entdecken; die Bildung von Schwarzen Löchern zu verstehen; und die Natur von Neutronensternen zu klären.
Englische Projektbeschreibung
This project will determine the gravitational waves emitted in the encounter of two black holes or neutron
stars in our universe at highest-precision. The gravitational waves emerging from such violent mergers are
now routinely detected at the LIGO-Virgo-KAGRA observatories since their discovery in 2016. With the
presently planed third generation of observatories the experimental accuracy will dramatically increase.
Theoretical predictions for the emitted waveforms at highest-precision are therefore needed in order to
determine the source parameters, such as masses, spins and intrinsic parameters of the two compact
objects. Obtaining these waveforms requires solving the extremely difficult field equations of Einstein’s
gravity. Major obstacles are the inclusion of radiative and spin effects at high-precision, as well as
access to the strong gravity regime. Together with my research group, I have recently devised a novel
quantum formalism to attack this classical physics scenario – worldline quantum field theory – that is
methodologically rooted in elementary particle physics. It is the leading formalism to compute observables
in the gravitational scattering of spinning black holes and neutron stars. My goal is to extend the scope of
worldline quantum field theory to include radiative, higher spin and tidal effects, that discriminate between
black holes and neutron stars. Moreover, I will uncover a hidden supersymmetry in the scattering of two
spinning black holes. Finally, by matching to curved space-times I will develop theoretical tools that apply
to strong gravitational fields as they arise close to the merger. These are presently unreachable by analytical
methods. Our results will set the basis to test Einstein’s theory of gravity in extreme regions, possibly
uncovering deviations from known physics; to understand black-hole formation; and to uncover the nature
of neutron stars.
Plefka, Jan Prof. Dr. (Details) (Theoretische Physik (Quantenfeldtheorie jenseits des Standardmodells und Stringtheorie))
Mittelgeber
European Research Council (ERC) - Advanced Grant
Laufzeit
Projektstart: 10/2023
Projektende: 09/2028
Forschungsbereiche
Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
Forschungsfelder
Gravitationsphysik, Quantenfeldtheorie
