Quanteneffekte und Quantenmessungen in astrophysischen Raumzeiten

• Antragstellerin: Dr. Christiane Klein
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder ; Mathematik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 531357976

Einsteins allgemeine Relativitätstheorie hat unser Verständnis von Gravitation revolutioniert und inspiriert die Wissenschaft bis heute. Ein Beispiel ist die Forschung zu mysteriösen Objekten wie schwarzen Löchern, die bis zu der Nobelpreis gekrönten Arbeit von Roger Penrose als unphysikalisch galten. Die stetig wachsende Zahl an erfassten Verschmelzungen schwarzer Löcher sowie die ersten direkten Beobachtungen machen sie zu einem wichtigen Forschungsgegenstand. Ein anderes Beispiel ist die Entwicklung unseres Universums von seinem Ausgangspunkt bis zur Gegenwart, die ebenfalls durch Einsteins Theorie beschrieben wird. Eine zentrale Informationsquelle hierfür ist die kosmische Hintergrundstrahlung (CMB), Strahlungsreste aus der fernen Vergangenheit. In beiden Beispielen spielen Quanteneffekte eine wichtige Rolle. Die Verbesserung der experimentellen Datenlage zu schwarzen Löchern und dem CMB erfordern eine solide, mathematische Beschreibung dieser Quanteneffekte um Daten wie die der Gravitationswellen-Detektoren der nächsten Generation korrekt vorhersagen und interpretieren zu können. Das erste Ziel meiner Forschung ist eine robuste mathematische Beschreibung eines Quantenzustandes für rotierende schwarze Löcher, der die physikalische Situation lange nach dem Kollaps eines rotierenden Sterns abbildet. Die bei astrophysischen schwarzen Löchern übliche Rotation macht diese Beschreibung zu einem komplexen mathematischen Problem. Dessen Lösung greift auf neue, wichtige Erkenntnisse aus der mathematischen Theorie der partiellen Differentialgleichungen zurück. Das zweite Ziel ist die Anwendung der Messtheorie der Quantenfeldtheorie, die vor kurzem und in großen Teilen in York entwickelt wurde, auf die Messungen des CMB zu untersuchen. Damit wird beleuchtet, was diese Messungen über die Quantenfluktuationen im frühen Universum aussagen. Dazu müssen die bestehenden Grenzen der Messtheorie erweitert werden, um die Beschreibung reeller Experimente zuzulassen. Die angestrebten Ergebnisse leisten einen entscheidenden Beitrag in mathematischer Physik und bilden die Basis für die Untersuchung verdampfender schwarzer Löcher, die Erweiterung der Messtheorie und die Interpretation der CMB-Messungen. Daher sind sie ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem besseren Verständnis der Quantennatur unseres Universums, der Quanten-Messungen und schlussendlich auch der Quantenfeldtheorie selbst.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Gastgeber: Professor Dr. Christopher Fewster