Linsenwirkung auf elektromagnetischen und Gravitationswellen

Dieses Forschungsprojekt untersucht, die Ausbreitung von Licht und Gravitationswellen, ins- besondere bei der Ablenkung durch die Schwerkraft massereicher Himmelskörper wie Schwarze Löcher oder Galaxien. Durch solche Gravitationslinsen können entfernte Objekte verschoben, vergrößert oder auch vervielfältigt erscheinen. Für die Astronomie sind solche Ef- fekte nützlich, um weit entfernte Objekte zu beobachten und die Wirkung der Schwerkraft in extremen Umgebungen zu erforschen. Die meisten bisherigen Modelle nehmen zu Vereinfa- chung an, dass sich weder die Quellen noch die Linsen bewegen und dass sich Wellen schlicht wie Lichtstrahlen verhalten. Im Gegensatz dazu untersucht dieses Projekt die Auswir- kungen von Bewegung, Welleneffekten und starken Gravitationsfeldern, insbesondere jene Schwarzer Löcher. Ein Ziel dieses Projektes ist die Beschreibung der zeitlichen Veränderung der scheinbaren Po- sition und Farbe weit entfernter Lichtquellen, wie sie durch Gravitationslinseneffekte bewegter Massen hervorgerufen werden. Solche Effekte sind normalerweise kaum messbar, könnten aber stark verstärkt werden, wenn sich die Quelle nahe einer sogenannten Kaustik befindet einem Bereich, in dem die Linsenwirkung besonders ausgeprägt ist. Mit theoretischen Model- len soll wird abgeschätzt werden, wie groß solche Effekte sein können und ob mit künftigen Beobachtungen transversale Bewegungen ferner Galaxien und Quasaren nachgewiesen werden könnten um so neue Einblicke in die Struktur und Entwicklung des Universums zu erhalten. Weiters wird untersucht, wie Gravitationswellen Wellen in der Raumzeitstruktur, die bei ext- remen kosmischen Ereignissen entstehen durch starke Gravitationslinsen beeinflusst werden. Insbesondere werden hier hierarchische Systeme analysiert, in denen zwei kleinere Schwarze Löcher miteinander verschmelzen, während sie ein deutlich größeres Schwarzes Loch umkrei- sen. Die dabei entstehenden Wellen werden durch die Gravitation des großen Objekts abge- lenkt und verzerrt. Mithilfe numerischer Simulationen soll vorhergesagt werden, wie solche Signale für Gravitationswellendetektoren auf der Erde aussehen würden. Das könnte helfen, solche Signale in Beobachtungsdaten zu identifizieren. Um das Verhalten von Wellen in solch extremen Situationen besser zu erfassen, wird eine neue mathematische Methode entwickelt, die über die klassische Strahlenoptik hinausgeht und so- genannte Wignerfunktionen verwendet, wie sie aus der Quantenmechanik bekannt sind. Im Gegensatz zu bisherigen Modellen können damit auch Beugung und Interferenz in der Nähe von Kaustiken beschreiben werden. Im konkreten Fall von krummen Raumzeiten ermöglicht dies genauere Vorhersagen für verschiedene astrophysikalische Szenarien zu treffen. Insgesamt erweitert dieses Projekt die Methoden der modernen Astrophysik und trägt dazu bei, ein besseres Verständnis davon zu erlangen, wie Licht und Gravitation über kosmologische Entfernungen hinweg und unter extremen Bedingungen miteinander wechselwirken.