Allgemein-relativistische Theorie geladener Akkretionsscheiben um Schwarze Löcher: Einfluss der elektromagnetischen (Selbst-)Wechselwirkung

• Antragsteller: Professor Dr. Claus Lämmerzahl
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder ; Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 510727404

In diesem Projekt untersuchen wir die Physik geladener Akkretionsscheiben. Elektromagnetische Felder haben einen deutlichen Einfluss auf die Struktur, Eigenschaften und Entwicklung von Akkretionsscheiben um kompakte Objekte wie Schwarze Löcher oder Neutronensterne. Da Schwarze Löcher nicht direkt beobachtet werden können und Akkretionsscheiben sehr nahe an das zentrale kompakte Objekt herankommen können, stellen diese ein perfektes System dar, um starke Gravitationsfelder bzw. Regionen in der Nähe von Horizonten, sowie die Physik der Schwarzen Löcher und Neutronensterne auszutesten. Eine vollständige Analyse der Akkretionsscheiben muss eine Kombination aus einer Vielzahl von Spezifikationen und Einflüssen berücksichtigen. Bei einer Akkretionsscheibe aus einem geladenen Fluid ist insbesondere die Rückwirkung der Ladung der Scheibe auf sich selbst zu berücksichtigen. Dies wurde aber bisher kaum betrachtet. Aufgrund der Komplexität des Problems beschränken wir uns zunächst auf ideale Modelle, die analytisch behandelt werden können, was im Rahmen des Modells ein vollständiges Verständnis der physikalischen Mechanismen ermöglicht. Für ein vollständiges Verständnis realer Situationen müssen dann allgemein-relativistische magneto-hydrodynamische Simulationen durchgeführt werden. Unser Fokus liegt auf Akkretionsscheiben, die durch ideale geladene Fluide im Rahmen von geometrisch dicken Akkretionsscheiben modelliert werden. Wir werden in drei Schritten vorgehen: (i) Wir bestimmen den Einfluss der elektromagnetischen Selbst-Wechselwirkung auf die Scheibe. Dabei wird zunächst das elektromagnetische Feld der Scheibe durch das Feld eines geladenen Rings in der Mitte der Scheibe approximiert und dessen Wirkung auf die Scheibe berechnet. In einem darauf aufbauenden sukzessiven Näherungsverfahren wird der Faraday-Tensor der gesamten Scheibe berechnet und der Einfluss des induzierten Feldes auf die Eigenschaften der Akkretionsscheibe bestimmt. (ii) Die Stabilität und mögliche Oszillationen der geladenen Akkretionsscheibe einschließlich des unter (i) ermittelten Selbstfeldes werden bestimmt und analysiert. Die erhaltenen Oszillationen werden auch mit den Beobachtungen hochfrequenter quasi-periodischer Oszillationen verglichen. Ausgehend von der Analyse der angewandten Störungen zweiter Ordnung untersuchen wir dann die zeitliche Entwicklung der verschiedenen geladenen Gleichgewichtslösungen. (iii) Falls die Zeit es erlaubt, untersuchen wir auch ein Modell, welches das von der Event Horizon Teleskop-Kollaboration veröffentlichte Polarisationsbild des Zentrums von M87 reproduzieren soll. Dieses Bild hängt neben vielen anderen Effekten von der Magnetfeldgeometrie und der Raum-Zeit-Krümmung ab. In allen Fällen versuchen wir, analytische oder approximativ analytische Lösungen zu finden. Wo dies nicht möglich ist, wenden wir auch numerische Methoden an.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich(e): Privatdozentin Dr. Eva Hackmann