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Gravitationswellen: Gravastern vs. Schwarzes Loch

Schwarze Löcher, wohl die mysteriösesten Objekte im All: Entstehung, Geometrie, Dynamik, Quantenaspekte
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Gravitationswellen: Gravastern vs. Schwarzes Loch

Beitrag von Ray Light » 12. Jun 2007, 18:45

Hallo zusammen,

heute erschien ein äußerst interessantes Papier auf gr-qc,

http://arxiv.org/abs/0706.1513

das zweierlei Sachverhalte demonstriert:

1) Gravasterne sind stabil gegenüber axialen Störungen.

2) Gravasterne können anhand der Gravitationswellenspektren von klassischen Schwarzen Löchern unterschieden werden.

Hintergrund:
Gravasterne wurden 2001 als Lösungen der Einsteinschen Feldgleichungen entdeckt. Sie ähneln nach außen dem klassischen Schwarzschild-Loch, haben jedoch weder Ereignishorizont, noch zentrale Krümmungssingularität.

Das Problem der Astronomen: Mittels elektromagnetischer Strahlung ist ein Gravastern nicht von einem Schwarzschild-Loch zu unterscheiden!

http://www.mpe.mpg.de/~amueller/lexdt_g03.html#grava

zur aktuellen Entdeckung:
Punkt 1 ist so interessant, weil die Stabilität von Gravasternen von der Community angezweifelt wurde. Die Autoren wollen nun noch zeigen, dass Gravasterne auch gegenüber polaren Störungen stabil sind.

Punkt 2 weckt Hoffnung für die Gravitationswellenastronomie. Problematisch ist dabei nur, dass bislang Gravitationswellen nicht direkt nachgewiesen werden konnten.
Die meisten Physiker sind jedoch davon überzeugt, dass die direkte Beobachtung von Gravitationswellen bald gelingt. Zuversichtlich stimmt ja der indirekte Nachweis dieser "Raumzeit-Wellen" bei dem Hulse-Taylor-Pulsar.

In der aktuellen Ausgabe von Nature (Vol 447, S 651) wird in der Rubrik "News and Views" von der Fortschritten bei LIGO berichtet. Dieser Gravitationswellendetektor in den USA erreicht eine Empfindlichkeit, die sogar zum Test kosmologischer Modelle ausreicht! Denn Gravitationswellen aus der Epoche des Urknalls produzieren einen Gravitationswellenhintergrund, der zur Energiedichte im Kosmos beiträgt und messbar sein wird (dieses Omega ist von der Größenordnung 0.00001).

Gruß,
Ray
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Beitrag von gravi » 12. Jun 2007, 19:50

Vielen Dank, lieber Ray, für diese interessanten Informationen!

Frage: gibt es inzwischen eigentlich schon Lösungen für rotierende Gravasterne? Meines Wissens gibt es sie bisher nur für statische...

Gruß
gravi
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Beitrag von wilfried » 12. Jun 2007, 22:31

Lieber Ray

mir schwirrt gerade der Kopf von Deinem Beitrag.

die Geschichte der Schwarzen Löcher ist lang, und seit geraumer Zeit sind diese Gravasterne im Fokus. Auf Deiner homepage, auf gravis homepage sind interessante Beiträge dazu. Danke Euch beiden.
Wird die Physik der SLs gerade neu geschrieben, sind da neue Effekte, ist das sowas wie ein Bindeglied zu den Novas?


Für mich -als Hobby Astrophysik Interessierter- ist bislang die Kerr Lösung noch die natürlichste aller, da hier der Drehimpuls oder besser dieses Mitreißen oder Mitschleppen des Koordinatensystems das wiedergibt, was in der Natur vorhanden ist: Drehung/Rotation.

Gruß

Wilfried
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Beitrag von Ray Light » 13. Jun 2007, 23:15

Nabend,

zu den Fragen:

@gravi:

Bislang wurde keine rotierende Verallgemeinerung der Gravastern-Lösung gefunden. Gravasterne sind statische Raumzeiten. Der Außenraum entspricht der Schwarzschild-Lösung, dann gibt es eine dünne Materieschale und innerhalb gibt es einen Innenraum, der im ursprünglichen Gravastern-Modell aus einer speziellen Form der Dunklen Energie (nämlich der kosmologischen Konstante) besteht. Der Innenraum ist also eine de-Sitter-Lösung, wie sie in der relativistischen Kosmologie bekannt ist.

Was allerdings verallgemeinert werden konnte ist der Innenraum, nämlich dass hier andere Formen Dunkler Energie, wie sie auch in der Kosmologie vorgeschlagen wurden, in den Gravastern eingebaut werden konnten. Entsprechend spricht man vom Phantom-Energie-Gravastern oder vom Chaplygin-Gravastern.

@wilfried:

Die Physik der Schwarzen Löcher ist nach wie vor ein spannendes, intensiv erforschtes Thema. Wir befinden uns in einer spannenden Epoche der Gravitationsphysik, weil wir an der Schwelle zu neuen Gravitationstheorien stehen.

Verschiedene Varianten der Quantengravitation (vor allem Stringtheorien und Loop-Quantengravitation) sind mittlerweile verfügbar, werden weiterentwickelt und Tests dieser Theorien an der Natur werden vorgeschlagen.

Schwarze Löcher beflügeln diese Entwicklungen, weil sie Extreme der Gravitation darstellen. Es ist ja bekannt, dass u.a. die Thermodynamik Schwarzer Löcher äußerst interessante und weitreichende Aspekte aufwirft (Stichwort: Informationsparadoxon).

Die Gravasterne sind ein Puzzleteil, was im Zuge dieser Entwicklungen gefunden wurde. Jedoch sind die Raumzeiten Lösungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, einer unquantisierten Gravitation.

Vielleicht haben Gravasterne einen akademischen Charakter. So ist nach wie vor unklar, wie sie im Zuge des Gravitationskollapses eines Vorläufersterns oder Sternhaufens entstehen könnten. Das kann derzeit niemand auf der Welt beantworten.

Was ich interessant daran finde ist, dass sie eine Alternative zum klassischen Schwarzen Loch darstellen. Die Astrophysiker und Astronomen müssen zeigen, wie man sie in der Theorie oder per Beobachtung ausschließen kann, um die klassischen Schwarzen Löcher zu retten.

Das einzige derzeit überzeugende Argument gegen Gravasterne ist, dass sie nicht rotieren. Die klassischen Schwarzen Löcher, die rotieren, und durch die Kerr-Metrik beschrieben werden, sind die Zugpferde der Astrophysik. Es ist ein natürlicher Vorgang, dass sich rotierende Relikte aus rotierenden Sternen im Gravitationskollaps bilden (Drehimpulserhaltung). Richtig erkannt, wilfried.

Darüber hinaus beobachten Astronomen eine Vielzahl von Belegen für rotierende Schwarze Löcher:
- Röntgenemissionslinien von fluorezierendem Eisen, die von Akkretionsscheiben um Schwarze Löcher stammen, deren Innenrand kleiner ist, als es bei einem Schwarzschild-Loch möglich wäre;
- relativistische Jets in aktiven Galaxien und Gammastrahlenausbrüchen, die im Rahmen der Theorie vornehmlich durch rotierende Löcher erklärt werden, die in einen magnetisierten Akkretionsfluss eingetaucht sind;
- quasi-periodische Oszillationen von Infrarot- und Röntgenemission, die auf Lochrotation schließen lassen (u.a. bei Sgr A*, dem zentralen superschweren Loch in unserer Milchstraße);
- etc.

Wir beobachten: Rotation muss vorhanden sein!

Bislang leistet das jedoch nur die Kerr-Lösung. Spannend wird es, falls tatsächlich rotierende Gravasterne-Lösungen in der Theorie entdeckt werden. Das würde die Physik Schwarzer Löcher in Bedrängnis bringen.

Auf der anderen Seite liefern Quantengravitationstheorien Resultate, die aufhorchen lassen: Quantisiert man die Raumzeit im Rahmen der Loop-Quantengravitation, so deuten vereinfachte Modelle an, dass die Krümmungssingularitäten klassischer Löcher verschwinden (Arbeiten von Bojowald; Goswami et al.). Wenn die echten Singularitäten jedoch schon im Kollaps eines Sterns verhindert werden, so muss man sich fragen, was das für eine kompakte Endkonfiguration ist. Jedenfalls ist es kein Schwarzes Loch mehr! Gibt es sowas tatsächlich in der Natur? Das ist aktuelle Forschung, und leider wird noch viel getan werden müssen - vor allem wird man viel Überzeugungsarbeit an denen leisten müssen, die felsenfest von der Existenz singulärer Schwarzer Löcher überzeugt sind.

Ich verspreche mir einen Durchbruch durch die Beobachtung von Gravitationswellen - schon in den nächsten paar Jahren. Experten unternehmen hier einfach unglaubliche Anstrengungen weltweit.

Falls eine Wellenform von einem Lochkandidaten am Himmel extrahiert werden kann, so gibt das eingangs erwähnte Papier die Mittel an die Hand, wie man entscheiden kann, ob es Loch oder Gravastern ist. Vielleicht ist es aber auch etwas ganz anderes!?

Was genau meinst Du mit "Bindeglied zu Novae", wilfried?

Gruß,
Ray
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Beitrag von wilfried » 13. Jun 2007, 23:31

Lieber Ray

danke für die ausführliche Erklärung. Kannst Du mir die genannte Literaturstelle als Internetlink geben?
Krümmungssingularitäten klassischer Löcher verschwinden (Arbeiten von Bojowald; Goswami et al.)

Mit dem Bindeglied zu den Novae meine ich folgendes:

Ein Stern wird i.d.R. durch hydrodynamsiche Gleichungen beschrieben. Wenn eine Nova ausbricht, wird neben dem Zusammenfall auch Drehimpuls frei. Damit ist für mich die Kerr Lösung die als best anzunehemde Lösung. Heißt:
jedes durch eine Nova produziertes Loch muss rotieren.

Wenn es aber die Schwarzschildlösung geben sollte, dann kann kein Drehimpuls vorher vorhanden sein, es sei denn: dieser wird durch einen begleitenden Prozess vernichtet.

Das meine ich damit: ist dieser Gravistern sowas wie der begleitende Prozess, der das Drehmoment enrgiemäßig gerade eben kompensiert?

Gruß

Wilfried
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Beitrag von Ray Light » 14. Jun 2007, 00:45

Aha, jetzt verstehe ich. Du verwechselst Novae

http://www.mpe.mpg.de/~amueller/lexdt_n02.html#nov

mit Supernovae (SN)

http://www.mpe.mpg.de/~amueller/lexdt_s09.html#sn

Bei SN Typ II (core collapse SN) entsteht im Allgemeinen ein Neutronenstern.

Ein stellares Schwarzes Loch entsteht durch eine Sternexplosion, die noch gewaltigere Energiemengen freisetzt (um etwa zwei Größenordnung mehr). Diese heißt Hypernova. Dieses Ereignis ist verbunden mit einem langzeitigen Gammastrahlenausbruch (GRB).

Es gibt auch die Möglichkeit, dass ein stellares Schwarzes Loch aus einem Verschmelzungsprozess zweier Neutronensterne entsteht. Dieser Kollaps eines kompakten Doppelsterns ist verbunden mit einem kurzzeitigen GRB. Genau das wird das Schicksal des Hulse-Taylor-Pulsars sein.


Ein Schwarzschild-Loch könnte entstehen, wenn die Rotationsenergie eines Kerr-Lochs abgebaut werden kann, z.B. durch fortdauernde Bildung von Jets durch den Blandford-Znajek-Mechanismus

http://www.mpe.mpg.de/~amueller/lexdt_b04.html#bzm

oder durch Penrose-Prozesse

http://www.mpe.mpg.de/~amueller/lexdt_p02.html#penrose


Der Gravastern wäre nun eine Alternative zum Schwarzschild-Loch. Falls Astronomen Evidenz für ein Schwarzschild-Loch finden, müssen sie sich fragen, ob es nicht auch ein Gravastern sein könnte.


Die Publikationen von Bojowald und Goswami findest Du als Preprint hier:

http://xxx.uni-augsburg.de/abs/gr-qc/0503041

http://xxx.uni-augsburg.de/abs/gr-qc/0506128

http://xxx.uni-augsburg.de/abs/gr-qc/0506129

Diese Leute publizieren allerdings sehr fleißig und es gibt weitere Papiere.

Gute Nacht,
Ray
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Beitrag von wilfried » 14. Jun 2007, 08:09

Lieber Ray

so spät und dann mir noch solch umfangreiche Antwort geschickt?
Tausend Dank dafür. Deine Antwort bestätigt das, was ich mir dachte. Auch bin ich sehr gespannt, was in der Gravithehorie im Moment am Kochen ist.
Das Problem dieser Arebiten für mich ist diese -für mich!- neuartige mathematische Formulierung, die auch geometrischen oder gedätischen Prinzipien beruht.
Ich erhalte mehr und mehr den Eindruck, dass die klassischen Tensoranschriften, so wie ich sie in meinen Gleichungssystemem benutze ihr Ende erreicht haben und durch Geometrie bezogene Erweiterungen ergänzt werden. Diese Denkstruktur ist mir schon ein bischen sehr fremd. Damit tun wir Ingenieure uns recht schwer.

Aber macht nichts, wir haben ja Dich und können Dich fragen ob wir richtig liegen.

Ray vielen Dank für Deine Mühen und netten Gruß ..jetzt muss ich ins Geschäft und habe ne Menge zu tun...

Wilfried
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Beitrag von gravi » 14. Jun 2007, 17:52

Auch ich muss mich für die ausführlichen Informationen bedanken, lieber Ray! Gravasterne scheinen in der Tat eine ernstzunehmende Alternative zu den SL's zu sein, die wohl auch immer besser verstanden wird.

@Wilfried:
Das meine ich damit: ist dieser Gravistern sowas wie der begleitende Prozess, der das Drehmoment enrgiemäßig gerade eben kompensiert?
Vielen Dank Wilfried, dass Du mir jetzt schon einen eigenen Sterntypus widmest. Aber das habe ich doch gar nicht verdient... :wink:

Gruß
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Beitrag von wilfried » 14. Jun 2007, 20:36

Lieber Werner

Du siehst ich hab Dich lieb :P

Gruß
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