Eine Studie von Ooguri Hirosi und Matthew Dodelson vom Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) über die theoretischen Effekte von Strings außerhalb der Photonensphäre von Schwarzen Löchern wurde als „Editor’s Suggestion“ für das Journal Physical Review D ausgewählt. Die Studie wurde am 24. März 2021 veröffentlicht.
In einer Quantentheorie der Punktteilchen ist die Korrelationsfunktion eine fundamentale Größe. Sie misst die Wahrscheinlichkeit für ein Teilchen, um sich von einem Punkt zu einem anderen zu bewegen. Die Korrelationsfunktion entwickelt Singularitäten, wenn die beiden Punkte durch Bahnen verbunden sind, die jenen von Licht gleichen. In einer flachen Raumzeit gibt es so eine einzige Bahn, aber wenn die Raumzeit gekrümmt ist, können viele solcher Bahnen zwei Punkte verbinden. Das ist eine Folge des Gravitationslinseneffekts, der die Effekte der gekrümmten Geometrie auf die Ausbreitung von Licht beschreibt.
Im Fall der Raumzeit um ein Schwarzes Loch gibt es derartige Bahnen, die sich mehrere Male um das Schwarze Loch herumwinden, was in einer Photonensphäre resultiert. Das sieht man auf den neuesten Bildern des supermassiven Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87, die vom Event Horizon Telescope (EHT) gemacht wurden.
Am 10. April 2019 veröffentlichte die EHT Collaboration Bilder des Schattens eines Schwarzen Lochs und dessen Photonensphäre – dem Ring aus Licht, der es umgibt. Eine Photonensphäre kann in einer Region eines Schwarzen Lochs auftreten, wo horizontal eindringendes Licht durch die Gravitation auf verschiedene Bahnen gezwungen werden kann. Diese Bahnen führen zu Singularitäten in der oben genannten Korrelationsfunktion.
Es gibt allerdings Fälle, in denen die Singularitäten, die durch die um ein Schwarzes Loch gewundenen Bahnen erzeugt werden, im Widerspruch zu den physikalischen Erwartungen stehen. Dodelson und Ooguri (der Direktor des Kavli IPME) haben gezeigt, dass solche Singularitäten in der Stringtheorie aufgelöst werden.
In der Stringtheorie wird jedes Teilchen als ein speziell angeregter Zustand eines Strings betrachtet. Wenn sich das Teilchen entlang einer fast lichtähnlichen Bahn um ein Schwarzes Loch bewegt, führt die Raumzeitkrümmung zu Gezeiteneffekten, die den String dehnen.
Dodelson und Ooguri zeigten, dass die Singularitäten unter Berücksichtigung dieser Effekte übereinstimmend mit den physikalischen Erwartungen verschwinden. Ihr Ergebnis liefert Belege dafür, dass eine konsistente Quantengravitation längliche Objekte wie Strings als ihre Freiheitsgrade enthalten muss.
„Unsere Ergebnisse zeigen, wie die theoretischen Effekte von Strings in der Nähe eines Schwarzen Lochs verstärkt werden. Obwohl die von uns gefundenen Effekte nicht stark genug sind, um sichtbare Folgen auf dem ETH-Bild zu verursachen, könnten weitere Studien uns eine Möglichkeit aufzeigen, um die Stringtheorie mittels Schwarzer Löcher zu überprüfen“, sagte Ooguri.
Wir wünschen allen Lesern Frohe (und gesunde) Ostertage!
(THK)
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