Tübinger Astrophysikerin erhält Gustav-Hertz-Preis 2024

Tübingen astrophysicist receives 2024 Gustav Hertz Prize (English Version)

Die Forschung von Dr. Daniela Doneva im Bereich der theoretischen und computergestützten Astrophysik von Schwarzen Löchern und Neutronensternen hat neue Phänomene aufgedeckt, die es ermöglichen, Einsteins allgemeine Relativitätstheorie in ihren extremsten Regimen zu untersuchen. Dafür wird sie im März 2024 mit dem Gustav-Hertz-Preis der Deutschen Physikalischen Gesellschaft ausgezeichnet. Mit dem Preis werden herausragende aktuelle Arbeiten von Nachwuchsphysikerinnen und -physikern gewürdigt.

Daniela Doneva erforscht Theorien jenseits der allgemeinen Relativitätstheorie mithilfe hochkomplexer mathematischer Modelle und Computersimulationen. Ihre theoretischen Vorhersagen werden mit astrophysikalischen Beobachtungen verglichen, um ein besseres Verständnis der starken Gravitation um Schwarze Löcher und Neutronensterne zu erlangen. 

Die allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Wechselwirkung zwischen Materie (einschließlich Feldern), Raum und Zeit. Sie deutet Gravitation als geometrische Eigenschaft der gekrümmten vierdimensionalen Raumzeit. Ein „Feld“ ist etwas, was Raum einnimmt und Energie enthält – die elektromagnetische Strahlung zum Beispiel besteht aus Wellen des elektromagnetischen Vektorfeldes. 

Daten von Teleskopen und Raumfahrtmissionen bestätigen die allgemeine Relativitätstheorie für die relativ schwachen Gravitationsfelder in unserem Sonnensystem. Doch das ist erst der Anfang. "Wir wissen, dass es noch mehr geben könnte. Die allgemeine Relativitätstheorie und die Teilchenphysik können die dunkle Materie nicht vollständig erklären. Wir sind nicht einmal sicher, was dunkle Energie ist. Vielleicht ist dies also ein Ausdruck unseres mangelnden Verständnisses der allgemeinen Relativitätstheorie auf sehr großen Skalen", sagt Doneva.

Die allgemeine Relativitätstheorie wurde in der Umgebung von schwarzen Löchern und Neutronensternen, die die Raumzeit mit ihrer extremen Gravitation krümmen, nicht gut getestet. Möglicherweise gibt es in der Natur neue fundamentale Felder, ähnlich wie das neu entdeckte Higgs-Feld in der Teilchenphysik. "Ein Teil meiner Arbeit befasst sich mit der Frage, welche Auswirkungen es hätte, wenn neue fundamentale Felder in der Natur existieren würden. Sie sehen zwar sehr abstrakt aus, aber Felder werden häufig zur Erklärung von dunkler Energie, dunkler Materie und der Inflation des frühen Universums herangezogen. In der Stringtheorie und der Quantengravitation erscheinen sie unvermeidlich."

Dr. Doneva hat eine theoretische Entdeckung eines neuen Mechanismus bei der Entstehung von Schwarzen Löchern gemacht. "Wir haben einen Mechanismus gefunden, der die Akkumulation eines Skalarfeldes um Schwarze Löcher auslöst. Praktisch gesehen baut die enorme Krümmung der Raumzeit selbst eine neue Energiequelle um ein Schwarzes Loch auf; dies verändert schließlich die Raumzeit und führt zu unterschiedlichen Beobachtungssignaturen", sagt Doneva.

Diese theoretischen Vorhersagen müssen anhand von Beobachtungen überprüft werden. Angesichts der rasanten Fortschritte bei den astrophysikalischen Beobachtungen und insbesondere der direkten Entdeckung von Gravitationswellen hofft Dr. Doneva, dass in den nächsten Jahrzehnten genügend präzise Beobachtungen gesammelt werden, um den Forschern die Möglichkeit zu geben, die extreme Schwerkraft im Detail zu verstehen.

"Viele Menschen haben von der Quantengravitation gehört – dem Versuch, Gravitation und Quantentheorie in Einklang zu bringen – von der Stringtheorie und von den Theorien, die versuchen, alle Wechselwirkungen zu vereinheitlichen. Um zu verstehen, wie diese größeren Theorien funktionieren, müssen wir zwangsläufig unser Verständnis der allgemeinen Relativitätstheorie ändern", sagt Doneva. "So wie die Newtonsche Gravitation zusammenbrach und die allgemeine Relativitätstheorie hervorbrachte, wird die allgemeine Relativitätstheorie früher oder später zu einer größeren Theorie führen. Meine Aufgabe ist es, kleine Schritte auf dem Weg zu einer solchen zukünftigen Entdeckung zu machen."

Doneva denkt in Jahrtausenden. "Wenn wir jemals in der Lage sein wollen, Raumfahrt außerhalb unseres Sonnensystems zu betreiben, müssen wir grundlegende neue Entdeckungen im Bereich der Schwerkraft machen, denn derzeit können wir nur die Grenzen unseres Sonnensystems erreichen. Darüber hinaus ist es selbst mit den besten Triebwerken und Technologien nicht möglich." Dr. Doneva weist darauf hin, dass "jede fundamentale physikalische Errungenschaft irgendwann praktisch wird".

Für Daniela Doneva kollidiert die Arbeit als Forscherin und Lehrerin oft mit den Anforderungen als Mutter von zwei kleinen Kindern. "Ich möchte keinen meiner Träume aufgeben, sowohl eine Familie als auch eine Karriere zu haben. Aber es ist hart. Ich kann nicht einmal zu Seminaren oder Fakultätssitzungen gehen, wenn mein Mann nicht da ist, denn alles findet am Nachmittag statt. Die Kita schließt um halb vier. Tübingen wird für Frauen in der Wissenschaft immer schlechter."

Dr. Doneva promovierte 2012 in theoretischer Physik an der Universität Sofia. Seitdem arbeitet sie an der Universität Tübingen und wurde durch ein Humboldt-Forschungsstipendium (2013-2015), das Margarete von Wrangell Habilitationsprogramm (2015-2018) und das Eliteprogramm für Postdocs (2015-2018) gefördert. Seit 2019 leitet sie eine unabhängige Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe.

Amanda Crain