Lichtausbreitung in der Nähe eines Schwarzen Loches, das von einem Plasma umgeben ist

• Antragsteller: Professor Dr. Claus Lämmerzahl
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429796200

Während noch vor 30 Jahren Schwarze Löcher als hypothetische Objekte galten, die es nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vielleicht geben könnte, haben wir inzwischen durch Beobachtungen starke Hinweise dafür, dass sie in der Natur wirklich existieren. Die Information, die wir über Schwarze Löcher haben, kommt hauptsächlich von ihrer Wirkung auf Lichtsignale (womit wir auch Signale außerhalb des sichtbaren Spektrums meinen), die ihnen nahe kommen. In diesem Projekt wollen wir zwei solche Effekte untersuchen, wobei Lichtausbreitung nicht nur im Vakuum sondern auch in einem Plasma betrachtet werden soll, was für Radiosignale relevant ist. (a) Erstens wollen wir die Ankunftszeiten von Signalen eines Pulsars, der ein Schwarzes Loch umkreist, berechnen. Im Gegensatz zu früheren Behandlungen soll dabei die Wirkung eines inhomogenen Plasmas berücksichtigt werden, das das Schwarze Loch umgibt. (b) Zweitens wollen wir Lichtsignale von einer (kleinen aber ausgedehnten) Quelle betrachten, die um ein Schwarzes Loch kreist und in ihrem Ruhsystem isotrop Strahlung aussendet. Eine solche Quelle kann als Hot Spot in einer Akkretionsscheibe interpretiert werden. Insbesondere wollen wir den Fall betrachten, dass sich die Quelle um ihre Achse dreht und wir wollen den Einfluss ihres Spins auf die Strahlung bestimmen. Nachdem dies zunächst für Lichtausbreitung im Vakuum durchgeführt werden soll, wollen wir danach auch den Einfluss eines inhomogenen Plasmas berücksichtigen. Eine solche Rechnung hat interessante Anwendungen, sogar für den Fall, dass die Lichtquelle nicht rotiert: Indem man eine strahlende rotierende Scheibe als aus solchen Lichtquellen zuammengesetzt modelliert, kann man den Einfluss eines Plasmas auf das Aussehen der Scheibe bestimmen. In allen Fällen wollen wir soweit wie möglich exakte analytische Ergebnisse finden; wo das nicht möglich ist, wollen wir analytische Näherungsmethoden verwenden. Das Schwarze Loch soll hauptsächlich durch die Schwarzschild- oder die Kerr-Metrik modelliert werden, aber andere Metriken (z. B. für Schwarze Löcher aus anderen Theorien oder für "Black Hole Impostors" wie Wurmlöcher) sollen teilweise auch betrachtet werden. Eine wesentliche Motivation für dieses Projekt kommt von bereits existierenden oder erwartbaren Beobachtungen von (supermassiven oder stellaren) Schwarzen Löchern. Analytische Ergebnisse für den Einfluss eines Plasmas auf die Strahlung von Lichtquellen, die um das Schwarze Loch kreisen, sind wichtige Hilfsmittel für die Auswertung und die korrekte Interpretation solcher Beobachtungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Professor Dr. Gennady Bisnovatyi-Kogan, bis 3/2022; Dr. Oleg Yu. Tsupko, bis 3/2022
• Mitverantwortlich: Privatdozent Dr. Volker Perlick