Gravitational waves from compact objects – a tool for testing strong gravity and nuclear matter at extreme densities

11.09.2019 bis 10.09.2025

Gravitation spielt eine zentrale Rolle in fast jeder fundamentalen Problemstellung in der Astrophysik, Kosmologie und Grundlagenphysik, was sie zum Gegenstand einer starken Interdisziplinarität macht. Erst kürzlich ist mit der direkten Messung von Gravitationswellen ein bedeutender Durchbruch in den Bemühungen, die Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie zu überprüfen, erfolgt. In den kommenden Jahren wird durch die Beobachtung von Gravitationswellen ein völlig neuer Blick auf bisher unsichtbare Teile des Universums ermöglicht. Die Gravitationswellen werden dabei durch die Verschmelzung der kompaktesten Objekten erzeugt, die uns im Universum bekannt sind - Neutronensterne und Schwarze Löcher.

Andererseits kann man eines der wichtigsten offenen Probleme der heutigen Physik, nämlich die beschleunigte Expansion des Universums, auf unser mangelndes Verständnis der Gravitation auf astrophysikalischen und kosmologischen Skalen zurückführen. Dort bricht die allgemeine Relativitätstheorie zusammen, was Anlass für die Suche nach einer vollständigeren Gravitationstheorie gibt. Dabei werden Modifikationen von Einsteins Theorie sowohl von Theorien vorhergesagt, welche versuchen alle Wechselwirkungen zu vereinen, als auch von Quantenkorrekturen im Gebiet der starken Gravitation. Darüber hinaus wurde die allgemeine Relativitätstheorie bisher zwar mit bemerkenswerter Genauigkeit getestet, allerdings nur im Bereich der schwachen Gravitation, wohingegen die Physik der starken Gravitation nur unzureichend erforscht ist.

Das Ziel des Projektes ist die systematische Erforschung der Gravitationswellenemission verschmelzender Neutronensterne und Schwarzer Löcher in verallgemeinerten Gravitationstheorien. Dabei sollen nahezu alle Stadien der Verschmelzung berücksichtigt werden: Das Einspiralieren, das Verhalten nach dem Verschmelzen und in einigen Fällen, das Gravitionswellen-Nachleuchten. Wir werden eine umfangreiche Klasse alternativer Gravitationstheorien abdecken, die theoretisch wohlbegründet sind und mit den Beobachtungen übereinstimmen. Dies wäre die erste Studie in dieser Größenordnung, da bisher hauptsächlich isolierte Ergebnisse zu einzelnen Theorien oder Erzeugungsmechanismen von Gravitationswellen vorliegen.

Aufbauend auf dieser Vorarbeit ist es das zweite Ziel des Projektes, die Entartung zwischen Unbestimmtheiten der Zustandsgleichung und der den Beobachtungen zugrundeliegenden Gravitationstheorie aufzuheben. Die meisten aus Beobachtungen gewonnen Erkenntnisse zur Zustandsgleichung nehmen implizit die allgemeine Relativitätstheorie als zugrundeliegende Gravitationstheorie an. Dies macht es schwierig, alternative Gravitationstheorien zu untersuchen. Da die Untersuchung des Verhaltens von Materie bei hohen Dichten eines der wichtigsten Ziele künftiger Beobachtungen von Gravitationswellen verschmelzender Neutronensterne darstellt,ist die Entwicklung einer Methode besonders wichtig, die von der zugrundeliegenden Gravitationstheorie unabhängig ist.