Diese Arbeit konzentriert sich auf eine fundamentale Problematik der numerischen Relativitätstheorie: Die Extraktion von Gravitationswellen in einer eich- und koordinateninvarianten Formulierung, um ein physikalisch interpretierbares Objekt zu erhalten. Es wird eine neue Methodik entwickelt, um die physikalisch relevanten Größen aus einer numerisch erzeugten Raumzeit zu extrahieren. Wir präsentieren eine allgemeingültige kanonische Formulierung der Weyl Skalare im Newman-Penrose Formalismus als eine Funktion von fundamentalen Raumzeit-Invarianten. Dadurch zeigt sich, dass mit Hilfe dieser Methodik die explizite Konstruktion eines Vierbeins vollständig redundant ist. Als weiteren Schwerpunkt charakterisieren wir innerhalb des Newman-Penrose Formalismus eine spezielle Untergruppe von Tetraden, die transversen Frames. Es wird eine bisher unbekannte Verbindung zwischen den primär genutzen Vierbeinen für die Extraktion der Wellenform abgeleitet, dem Gram-Schmidt Vierbein und dem quasi-Kinnersley Vierbein. Abschliessend studieren wir die Abhängigkeit der Gravitationswellen eines gestörten Schwarzen Loches vom verwendeten Vierbein. Wir berechnen die Form der Gravitationswellen in dieser Raumzeit und demonstrieren inwieweit unsere neue Methodik robustere und exaktere Ergebnisse liefert, als die gewöhnlich verwendeten Ansätze zur Extraktion des Signals. / This work focuses on a fundamental problem in modern numerical rela- tivity: Extracting gravitational waves in a coordinate and gauge independent way to nourish a unique and physically meaningful expression. We adopt a new procedure to extract the physically relevant quantities from the numerically evolved space-time. We introduce a general canonical form for the Weyl scalars in terms of fundamental space-time invariants, and demonstrate how this ap- proach supersedes the explicit definition of a particular null tetrad. As a second objective, we further characterize a particular sub-class of tetrads in the Newman-Penrose formalism: the transverse frames. We establish a new connection between the two major frames for wave extraction: namely the Gram-Schmidt frame, and the quasi-Kinnersley frame. Finally, we study how the expressions for the Weyl scalars depend on the tetrad we choose, in a space-time containing distorted black holes. We apply our newly developed method and demonstrate the advantage of our approach, compared with methods commonly used in numerical relativity.

In der vorliegenden Habilitationsschrift wird der Diracsee im äußeren Feld definiert und im Detail im Ortsraum untersucht. Kapitel 1 gibt eine allgemeine Einführung und einen Überblick. In Kapitel 2 wird gezeigt, daß der Diracsee für die Diracgleichung mit allgemeiner Wechselwirkung eindeutig definiert werden kann, wenn man eine Kausalitätsbedingung für den Diracsee fordert. Wir leiten eine explizite Formel für den Diracsee als Potenzreihe in den bosonischen Potentialen ab. Die Konstruktion wird auf Systeme von Diracseen verallgemeinert. Falls das System chirale Fermionen enthält, liefert die Kausalitätsbedingung eine Einschränkung für die bosonischen Potentiale. In Kapitel 3 untersuchen wir den Diracsee in chiralen und skalaren/pseudoskalaren Feldern. Als Vorbereitung wird eine Methode entwickelt, mit der die avancierte und retardierte Greensche Funktion um den Lichtkegel entwickelt werden kann. Dazu werden zunächst alle Feynman-Diagramme entwickelt und anschließend die Störungsreihe aufsummiert. Diese Lichtkegelentwicklung beschreibt die Greenschen Funktionen mittels einer unendlichen Reihe von Linienintegralen über das äußere Potential und dessen partielle Ableitungen. Der Diracsee wird in einen kausalen und einen nichtkausalen Anteil zerlegt. Der kausale Anteil hat eine Lichtkegelentwicklung, die mit der Lichtkegelentwicklung der Greenschen Funktionen eng verwandt ist; sie beschreibt das singuläre Verhalten des Diracsees mit Hilfe geschachtelter Linienintegrale längs des Lichtkegels. Der nichtkausale Anteil ist dagegen in jeder Ordnung Störungstheorie eine glatte Funktion im Ortsraum. / In this habiltation, the Dirac sea in the presence of an external field is defined and analyzed in detail in position space. Chapter 1 gives a general introduction and overview. In Chapter 2, it is shown that the Dirac sea can be uniquely defined for the Dirac equation with general interaction, if we impose a causality condition on the Dirac sea. We derive an explicit formula for the Dirac sea in terms of a power series in the bosonic potentials. The construction is extended to systems of Dirac seas. If the system contains chiral fermions, the causality condition yields a restriction for the bosonic potentials. In Chapter 3, we study the Dirac sea in the presence of chiral and scalar/pseudoscalar fields. In preparation, a method is developed for calculating the advanced and retarded Green's functions in an expansion around the light cone. For this, we first expand all Feynman diagrams and then explicitly sum up the perturbation series. The light-cone expansion expresses the Green's functions as an infinite sum of line integrals over the external potential and its partial derivatives. The Dirac sea is decomposed into a causal and a non-causal contribution. The causal contribution has a light-cone expansion which is closely related to the light-cone expansion of the Green's functions; it describes the singular behavior of the Dirac sea in terms of nested line integrals along the light cone. The non-causal contribution, on the other hand, is, to every order in perturbation theory, a smooth function in position space.

I perform and analyse the first ever calculations of rotating stellar iron core collapse in {3+1} general relativity that start out with presupernova models from stellar evolutionary calculations and include a microphysical finite-temperature nuclear equation of state, an approximate scheme for electron capture during collapse and neutrino pressure effects. Based on the results of these calculations, I obtain the to-date most realistic estimates for the gravitational wave signal from collapse, bounce and the early postbounce phase of core collapse supernovae. I supplement my {3+1} GR hydrodynamic simulations with 2D Newtonian neutrino radiation-hydrodynamic supernova calculations focussing on (1) the late postbounce gravitational wave emission owing to convective overturn, anisotropic neutrino emission and protoneutron star pulsations, and (2) on the gravitational wave signature of accretion-induced collapse of white dwarfs to neutron stars. / Ich präsentiere die ersten Computer-Simulationen des rotierenden Kollapses stellarer Eisenkerne, die in der {3+1}-Zerlegung der Allgemeinen Relativitätstheorie durchgeführt werden und Vorsupernova-Sternmodelle aus Sternentwicklungsrechnungen, eine heiße nukleare Zustandsgleichung und ein näherungsweises Verfahren zur Beschreibung des Elektroneneinfangs enthalten und Neutrinodruck-Effekte berücksichtigen. Basierend auf den Ergebnissen dieser Rechnungen erhalte ich die zur Zeit realistischsten Vorhersagen für das Gravitationswellensignal der Kollaps, Abprall, Abkling und frühen Nach-Abprallphase einer Kern-Kollaps-Supernova. Neben den {3+1} Simulationen diskutiere ich newtonsche axisymmetrische Kern-Kollaps-Supernova-Simulationen mit Schwerpunkten auf: (1) der Gravitationswellenabstrahlung in der späten Nach-Abprallphase durch Konvektionsströmungen, anisotropische Neutrinoemission und Proto-Neutronenstern Pulsationen und (2) der Gravitationswellensignatur des Kollapses weißer Zwergsterne zu Neutronensternen, der durch Akkretion eingeleitet wird.

This thesis is concerned with the development of numerical methods using finite difference techniques for the discretization of initial value problems (IVPs) and initial boundary value problems (IBVPs) of certain hyperbolic systems which are first order in time and second order in space. This type of system appears in some formulations of Einstein equations, such as ADM, BSSN, NOR, and the generalized harmonic formulation. For IVP, the stability method proposed in [14] is extended from second and fourth order centered schemes, to 2n-order accuracy, including also the case when some first order derivatives are approximated with off-centered finite difference operators (FDO) and dissipation is added to the right-hand sides of the equations. For the model problem of the wave equation, special attention is paid to the analysis of Courant limits and numerical speeds. Although off-centered FDOs have larger truncation errors than centered FDOs, it is shown that in certain situations, off-centering by just one point can be beneficial for the overall accuracy of the numerical scheme. The wave equation is also analyzed in respect to its initial boundary value problem. All three types of boundaries - outflow, inflow and completely inflow that can appear in this case, are investigated. Using the ghost-point method, 2n-accurate (n = 1, 4) numerical prescriptions are prescribed for each type of boundary. The inflow boundary is also approached using the SAT-SBP method. In the end of the thesis, a 1-D variant of BSSN formulation is derived and some of its IBVPs are considered. The boundary procedures, based on the ghost-point method, are intended to preserve the interior 2n-accuracy. Numerical tests show that this is the case if sufficient dissipation is added to the rhs of the equations. / Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung numerischer Verfahren für die Diskretisierung des Anfangswertproblems und des Anfangs-Randwertproblems unter Einsatz von finite-Differenzen-Techniken für bestimmte hyperbolischer Systeme erster Ordnung in der Zeit und zweiter Ordnung im Raum. Diese Art von Systemen erscheinen in einigen Formulierungen der Einstein'schen-Feldgleichungen, wie zB. den ADM, BSSN oder NOR Formulierungen, oder der sogenanten verallgemeinerten harmonischen Darstellung. Im Hinblick auf das Anfangswertproblem untersuche ich zunächst tiefgehend die mathematischen Eigenschaften von finite-Differenzen-Operatoren (FDO) erster und zweiter Ordnung mit 2n-facher Genaugigkeit. Anschließend erweitere ich eine in der Literatur beschriebene Methode zur Stabilitätsanalyse für Systeme mit zentrierten FDOs in zweiter und vierter Genauigkeitsordung auf Systeme mit gemischten zentrierten und nicht zentrierten Ableitungsoperatoren 2n-facher Genauigkeit, eingeschlossen zusätzlicher Dämpfungsterme, wie sie bei numerischen Simulationen der allgemeinen Relativitätstheorie üblich sind. Bei der Untersuchung der einfachen Wellengleichung als Fallbeispiel wird besonderes Augenmerk auf die Analyse der Courant-Grenzen und numerischen Geschwindigkeiten gelegt. Obwohl unzentrierte, diskrete Ableitungsoperatoren größere Diskretisierungs-Fehler besitzen als zentrierte Ableitungsoperatoren, wird gezeigt, daß man in bestimmten Situationen eine Dezentrierung des numerischen Moleküls von nur einem Punkt bezüglich des zentrierten FDO eine höhere Genauigkeit des numerischen Systems erzielen kann. Die Wellen-Gleichung in einer Dimension wurde ebenfalls im Hinblick auf das Anfangswertproblem untersucht. In Abhängigkeit des Wertes des sogenannten Shift-Vektors, müssen entweder zwei (vollständig eingehende Welle), eine (eingehende Welle) oder keine Randbedingung (ausgehende Welle) definiert werden. In dieser Arbeit wurden alle drei Fälle mit Hilfe der 'Ghost-point-methode' numerisch simuliert und untersucht, und zwar auf eine Weise, daß alle diese Algorithmen stabil sind und eine 2n-Genauigkeit besitzen. In der 'ghost-point-methode' werden die Evolutionsgleichungen bis zum letzen Punkt im Gitter diskretisiert unter Verwendung von zentrierten FDOs und die zusätzlichen Punkte die am Rand benötigt werden ('Ghost-points') werden unter Benutzung von Randwertbedingungen und Extrapolationen abgeschätzt. Für den Zufluß-Randwert wurde zusätzlich noch eine andere Implementierung entwickelt, welche auf der sogenannten SBP-SAT (Summation by parts-simulatanous approximation term) basiert. In dieser Methode werden die diskreten Ableitungen durch Operatoren angenähert, welche die 'Summation-by-parts' Regeln erfüllen. Die Randwertbedingungen selber werden in zusätzlichen Termen integriert, welche zu den Evolutionsgleichnungen der Punkte nahe des Randes hinzuaddiert werden und zwar auf eine Weise, daß die 'summation-by-parts' Eigenschaften erhalten bleiben. Am Ende dieser Arbeit wurde noch eine eindimensionale (kugelsymmetrische) Version der BSSN Formulierung abgeleitet und einige physikalisch relevanten Anfangs-Randwertprobleme werden diskutiert. Die Randwert-Algorithmen, welche für diesen Fall ausgearbeitet wurden, basieren auf der 'Ghost-point-Methode' and erfüllen die innere 2n-Genauigkeit solange genügend Reibung in den Gleichungen zugefügt wird.

This Thesis puts its focus on the physics of neutron stars and its description with methods of numerical relativity. In the first step, a new numerical framework the Whisky2D code will be developed, which solves the relativistic equations of hydrodynamics in axisymmetry. Therefore we consider an improved formulation of the conserved form of these equations. The second part will use the new code to investigate the critical behaviour of two colliding neutron stars. Considering the analogy to phase transitions in statistical physics, we will investigate the evolution of the entropy of the neutron stars during the whole process. A better understanding of the evolution of thermodynamical quantities, like the entropy in critical process, should provide deeper understanding of thermodynamics in relativity. More specifically, we have written the Whisky2D code, which solves the general-relativistic hydrodynamics equations in a flux-conservative form and in cylindrical coordinates. This of course brings in 1/r singular terms, where r is the radial cylindrical coordinate, which must be dealt with appropriately. In the above-referenced works, the flux operator is expanded and the 1/r terms, not containing derivatives, are moved to the right-hand-side of the equation (the source term), so that the left hand side assumes a form identical to the one of the three-dimensional (3D) Cartesian formulation. We call this the standard formulation. Another possibility is not to split the flux operator and to redefine the conserved variables, via a multiplication by r. We call this the new formulation. The new equations are solved with the same methods as in the Cartesian case. From a mathematical point of view, one would not expect differences between the two ways of writing the differential operator, but, of course, a difference is present at the numerical level. Our tests show that the new formulation yields results with a global truncation error which is one or more orders of magnitude smaller than those of alternative and commonly used formulations. The second part of the Thesis uses the new code for investigations of critical phenomena in general relativity. In particular, we consider the head-on-collision of two neutron stars in a region of the parameter space where two final states a new stable neutron star or a black hole, lay close to each other. In 1993, Choptuik considered one-parameter families of solutions, S[P], of the Einstein-Klein-Gordon equations for a massless scalar field in spherical symmetry, such that for every P > P⋆, S[P] contains a black hole and for every P < P⋆, S[P] is a solution not containing singularities. He studied numerically the behavior of S[P] as P → P⋆ and found that the critical solution, S[P⋆], is universal, in the sense that it is approached by all nearly-critical solutions regardless of the particular family of initial data considered. All these phenomena have the common property that, as P approaches P⋆, S[P] approaches a universal solution S[P⋆] and that all the physical quantities of S[P] depend only on |P − P⋆|. The first study of critical phenomena concerning the head-on collision of NSs was carried out by Jin and Suen in 2007. In particular, they considered a series of families of equal-mass NSs, modeled with an ideal-gas EOS, boosted towards each other and varied the mass of the stars, their separation, velocity and the polytropic index in the EOS. In this way they could observe a critical phenomenon of type I near the threshold of black-hole formation, with the putative solution being a nonlinearly oscillating star. In a successive work, they performed similar simulations but considering the head-on collision of Gaussian distributions of matter. Also in this case they found the appearance of type-I critical behaviour, but also performed a perturbative analysis of the initial distributions of matter and of the merged object. Because of the considerable difference found in the eigenfrequencies in the two cases, they concluded that the critical solution does not represent a system near equilibrium and in particular not a perturbed Tolmann-Oppenheimer-Volkoff (TOV) solution. In this Thesis we study the dynamics of the head-on collision of two equal-mass NSs using a setup which is as similar as possible to the one considered above. While we confirm that the merged object exhibits a type-I critical behaviour, we also argue against the conclusion that the critical solution cannot be described in terms of equilibrium solution. Indeed, we show that, in analogy with what is found in, the critical solution is effectively a perturbed unstable solution of the TOV equations. Our analysis also considers fine-structure of the scaling relation of type-I critical phenomena and we show that it exhibits oscillations in a similar way to the one studied in the context of scalar-field critical collapse. / Diese Arbeit legt seinen Schwerpunkt auf die Physik von Neutronensternen und deren Beschreibung mit Methoden der numerischen Relativitätstheorie. Im ersten Schritt wird eine neue numerische Umgebung, der Whisky2D Code entwickelt, dieser löst die relativistischen Gleichungen der Hydrodynamik in Axialymmetrie. Hierzu betrachten wir eine verbesserte Formulierung der sog. "flux conserved formulation" der Gleichungen. Im zweiten Teil wird der neue Code verwendet / um das kritische Verhalten zweier kollidierenden Neutronensternen zu untersuchen. In Anbetracht der Analogie, um Übergänge in der statistischen Physik Phase werden wir die Entwicklung der Entropie der Neutronensterne während des gesamten Prozesses betrachten. Ein besseres Verständnis der Evolution von thermodynamischen Größen, wie der Entropie in kritischer Prozess, sollte zu einem tieferen Verständnis der relativistischen Thermodynamik führen. Der Whisky2D Code, zur Lösung Gleichungen relativistischer Hydrodynamik wurde in einer „flux conserved form“ und in zylindrischen Koordinaten geschrieben. Hierdurch entstehen 1 / r singuläre Terme, wobei r der ist, die entsprechend behandelt werden müssen. In früheren Arbeiten, wird der Operator expandiert und die 1 / r spezifisch Therme auf die rechte Seite geschrieben, so dass die linke Seite eine Form annimmt, die identisch ist mit der kartesischen Formulierung. Wir nennen dies die Standard-Formulierung. Eine andere Möglichkeit ist, die Terme nicht zu expandieren, den und den 1/r Term in die Gleichung hinein zu ziehen. Wir nennen dies die Neue-Formulierung. Die neuen Gleichungen werden mit den gleichen Verfahren wie im kartesischen Fall gelöst. Aus mathematischer Sicht ist keine Unterschiede zwischen den beiden Formulierungen zu erwarten, erst die numerische Sicht zeigt die Unterschiede auf. Versuche zeigen, dass die Neue-Formulierung numerische Fehler um mehrere Größenordnungen reduziert. Der zweite Teil der Dissertation verwendet den neuen Code für die Untersuchung kritischer Phänomene in der allgemeinen Relativitätstheorie. Insbesondere betrachten wir die Kopf-auf-Kollision zweier Neutronensterne in einem Bereich des Parameter Raums, deren zwei mögliche Endzustände entweder einen neuen stabilen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch darstellen. Im Jahr 1993, betrachtete Choptuik Ein-Parameter-Familien von Lösungen, S [P], der Einstein-Klein-Gordon-Gleichung für ein masseloses Skalarfeld in sphärischer Symmetrie, so dass für jedes P> P ⋆, S[P] ein Schwarzes Loch enthalten ist und jedes P <P ⋆, S [P] eine Lösung ohne eine Singularität. Er studierte das numerisch Verhalten von S [P] als P → P ⋆ und stellte fest, dass die kritische Lösung, S[P ⋆], universell in dem Sinne ist, dass die Lösung nahe des kritischen Wertes unabhängig von den Anfangsdaten ist. Alle diese Phänomene haben die gemeinsame Eigenschaft, dass sobald sich P P ⋆ annähert, auch S[P] S [P ⋆] annähert und dass alle physikalischen Größen von S [P] nur noch von | P - P ⋆ | abhängen. Die erste Studie der kritischen Phänomene über den Frontalzusammenstoß von zwei Neutronensternen wurde von Jin und Suen im Jahr 2007 durchgeführt. Insbesondere untersuchten sie eine Reihe von Anfangsdaten gleicher Neutronensternmasse, mit einer idealen EOS, die aufeinander zu beschleunigt werden. Variiert wurden die Massen der Sterne, ihr Abstand, die Geschwindigkeit und die polytropen Index der EOS. Auf diese Weise konnten sie kritische Phänomen des Typ I beobachten. In weiteren Versuchen, führten sie ähnliche Simulationen frontal kollidierender Materie in Gauß Verteilungen durch. Auch in diesem Fall fanden sie Typ-I-kritisches Verhalten. Zudem führten sie eine störungstheoretische Analyse der Anfangsobjekte als auch der stabilen Endobjekte durch. Wegen der beträchtlichen Unterschiede in den Eigenfrequenzen in beiden Fallen, schlossen sie daraus, dass die kritische Lösung keine linear-gestörten Tolmann-Oppenheimer-Volkoff (TOV) Sterne im Gleichgewicht darstellen. In dieser Arbeit untersuchen wir die Dynamik der Frontalzusammenstoß zweier Neutronensterne gleicher Masse mit ähnlichem Setup wie oben besprochen. Während wir bestätigen, dass die erzeugten Objekte ebenfalls ein Typ-I-kritische Verhalten aufweisen, wiedersprechen wir der der Aussage, dass sich die kritische Lösung nicht als Gleichgewichtslösung dargestellt werden kann. In der Tat zeigen wir, dass die kritische Lösung als linear-gestörte instabile Lösung eines TOV-Sterns dargestellt werden kann. Unsere Analyse berücksichtigt auch die Feinstruktur der Skalenverhältnisse Typ-I-kritischer Phänomene und wir zeigen ebenfalle, dass hier Oszillationen auftreten, die bereits in ähnlichen Studien zum Kollaps kritischer Skalar-Feld gefunden wurden.

We report on recent advancement in the theory of light propagation in the Solar System aiming at sub-micro-arcsecond level of accuracy: (1) A solution for the light ray in 1.5PN approximation has been obtained in the field of N arbitrarily moving bodies of arbitrary shape, inner structure, oscillations, and rotational motion. (2) A solution for the light ray in 2PN approximation has been obtained in the field of one arbitrarily moving pointlike body.

In der vorliegenden Habilitationsschrift wird der Diracsee im äußeren Feld definiert und im Detail im Ortsraum untersucht. Kapitel 1 gibt eine allgemeine Einführung und einen Überblick. In Kapitel 2 wird gezeigt, daß der Diracsee für die Diracgleichung mit allgemeiner Wechselwirkung eindeutig definiert werden kann, wenn man eine Kausalitätsbedingung für den Diracsee fordert. Wir leiten eine explizite Formel für den Diracsee als Potenzreihe in den bosonischen Potentialen ab. Die Konstruktion wird auf Systeme von Diracseen verallgemeinert. Falls das System chirale Fermionen enthält, liefert die Kausalitätsbedingung eine Einschränkung für die bosonischen Potentiale. In Kapitel 3 untersuchen wir den Diracsee in chiralen und skalaren/pseudoskalaren Feldern. Als Vorbereitung wird eine Methode entwickelt, mit der die avancierte und retardierte Greensche Funktion um den Lichtkegel entwickelt werden kann. Dazu werden zunächst alle Feynman-Diagramme entwickelt und anschließend die Störungsreihe aufsummiert. Diese Lichtkegelentwicklung beschreibt die Greenschen Funktionen mittels einer unendlichen Reihe von Linienintegralen über das äußere Potential und dessen partielle Ableitungen. Der Diracsee wird in einen kausalen und einen nichtkausalen Anteil zerlegt. Der kausale Anteil hat eine Lichtkegelentwicklung, die mit der Lichtkegelentwicklung der Greenschen Funktionen eng verwandt ist; sie beschreibt das singuläre Verhalten des Diracsees mit Hilfe geschachtelter Linienintegrale längs des Lichtkegels. Der nichtkausale Anteil ist dagegen in jeder Ordnung Störungstheorie eine glatte Funktion im Ortsraum. / In this habiltation, the Dirac sea in the presence of an external field is defined and analyzed in detail in position space. Chapter 1 gives a general introduction and overview. In Chapter 2, it is shown that the Dirac sea can be uniquely defined for the Dirac equation with general interaction, if we impose a causality condition on the Dirac sea. We derive an explicit formula for the Dirac sea in terms of a power series in the bosonic potentials. The construction is extended to systems of Dirac seas. If the system contains chiral fermions, the causality condition yields a restriction for the bosonic potentials. In Chapter 3, we study the Dirac sea in the presence of chiral and scalar/pseudoscalar fields. In preparation, a method is developed for calculating the advanced and retarded Green''s functions in an expansion around the light cone. For this, we first expand all Feynman diagrams and then explicitly sum up the perturbation series. The light-cone expansion expresses the Green''s functions as an infinite sum of line integrals over the external potential and its partial derivatives. The Dirac sea is decomposed into a causal and a non-causal contribution. The causal contribution has a light-cone expansion which is closely related to the light-cone expansion of the Green''s functions; it describes the singular behavior of the Dirac sea in terms of nested line integrals along the light cone. The non-causal contribution, on the other hand, is, to every order in perturbation theory, a smooth function in position space.

In this work the extension of the criterion for local thermal equilibrium by Buchholz, Ojima and Roos to curved spacetime as introduced by Schlemmer is investigated. Several problems are identified and especially the instability under time evolution which was already observed by Schlemmer is inspected. An alternative approach to local thermal equilibrium in quantum field theories on curved spacetimes is presented and discussed. In the following the dynamic system of the linear field and matter perturbations in the generic model of inflation is studied in the view of ambiguity of quantisation. In the last part the compatibility of the temperature fluctuations of the cosmic microwave background radiation with local thermal equilibrium is investigated. / In dieser Arbeit wird die von Schlemmer eingeführte Erweiterung des Kriteriums für lokales thermisches Gleichgewicht in Quantenfeldtheorien von Buchholz, Ojima und Roos auf gekrümmte Raumzeiten untersucht. Dabei werden verschiedene Probleme identifiziert und insbesondere die bereits von Schlemmer gezeigte Instabilität unter Zeitentwicklung untersucht. Es wird eine alternative Herangehensweise an lokales thermisches Gleichgewicht in Quantenfeldtheorien auf gekrümmten Raumzeiten vorgestellt und deren Probleme diskutiert. Es wird dann eine Untersuchung des dynamischen Systems der linearen Feld- und Metrikstörungen im üblichen Inflationsmodell mit Blick auf Uneindeutigkeit der Quantisierung durchgeführt. Zuletzt werden die Temperaturfluktuationen der kosmischen Hintergrundstrahlung auf Kompatibilität mit lokalem thermalem Gleichgewicht überprüft.

One of the most exciting predictions of Einstein's theory of gravitation that have not yet been proven experimentally by a direct detection are gravitational waves. These are tiny distortions of the spacetime itself, and a world-wide effort to directly measure them for the first time with a network of large-scale laser interferometers is currently ongoing and expected to provide positive results within this decade. One potential source of measurable gravitational waves is the inspiral and merger of two compact objects, such as binary black holes. Successfully finding their signature in the noise-dominated data of the detectors crucially relies on accurate predictions of what we are looking for. In this thesis, we present a detailed study of how the most complete waveform templates can be constructed by combining the results from (A) analytical expansions within the post-Newtonian framework and (B) numerical simulations of the full relativistic dynamics. We analyze various strategies to construct complete hybrid waveforms that consist of a post-Newtonian inspiral part matched to numerical-relativity data. We elaborate on exsisting approaches for nonspinning systems by extending the accessible parameter space and introducing an alternative scheme based in the Fourier domain. Our methods can now be readily applied to multiple spherical-harmonic modes and precessing systems. In addition to that, we analyze in detail the accuracy of hybrid waveforms with the goal to quantify how numerous sources of error in the approximation techniques affect the application of such templates in real gravitational-wave searches. This is of major importance for the future construction of improved models, but also for the correct interpretation of gravitational-wave observations that are made utilizing any complete waveform family. In particular, we comprehensively discuss how long the numerical-relativity contribution to the signal has to be in order to make the resulting hybrids accurate enough, and for currently feasible simulation lengths we assess the physics one can potentially do with template-based searches. / Eine der aufregendsten Vorhersagen aus Einsteins Gravitationstheorie, die bisher noch nicht direkt durch ein Experiment nachgewiesen werden konnten, sind Gravitationswellen. Dies sind winzige Verzerrungen der Raumzeit selbst, und es wird erwartet, dass das aktuelle Netzwerk von groß angelegten Laserinterferometern im kommenden Jahrzehnt die erste direkte Gravitationswellenmessung realisieren kann. Eine potentielle Quelle von messbaren Gravitationswellen ist das Einspiralen und Verschmelzen zweier kompakter Objekte, wie z.B. ein Binärsystem von Schwarzen Löchern. Die erfolgreiche Identifizierung ihrer charakteristischen Signatur im Rausch-dominierten Datenstrom der Detektoren hängt allerdings entscheidend von genauen Vorhersagen ab, was wir eigentlich suchen. In dieser Arbeit wird detailliert untersucht, wie die komplettesten Wellenformenmodelle konstruiert werden können, indem die Ergebnisse von (A) analytischen Entwicklungen im post-Newtonschen Verfahren und (B) numerische Simulationen der voll-relativistischen Bewegungen verknüpft werden. Es werden verschiedene Verfahren zur Erstellung solcher "hybriden Wellenformen", bei denen der post-Newtonsche Teil mit numerischen Daten vervollständigt wird, analysiert. Existierende Strategien für nicht-rotierende Systeme werden vertieft und der beschriebene Parameterraum erweitert. Des Weiteren wird eine Alternative im Fourierraum eingeführt. Die entwickelten Methoden können nun auf multiple sphärisch-harmonische Moden und präzedierende Systeme angewandt werden. Zusätzlich wird die Genauigkeit der hybriden Wellenformen mit dem Ziel analysiert, den Einfluss verschiedener Fehlerquellen in den Näherungstechniken zu quantifizieren und die resultierenden Einschränkungen bei realen Anwendungen abzuschätzen. Dies ist von größter Bedeutung für die zukünftige Entwicklung von verbesserten Modellen, aber auch für die korrekte Interpretation von Gravitationswellenbeobachtungen, die auf Grundlage solcher Familien von Wellenformen gemacht worden sind. Insbesondere wird diskutiert, wie lang der numerische Anteil des Signals sein muss, um die Hybride genau genug konstruieren zu können. Für die aktuell umsetzbaren Simulationslängen wird die Physik eingeschätzt, die mit Hilfe von Modell-basierten Suchen potentiell untersucht werden kann.

Zeitreisen und Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit sind zwei Menschheitsträume; sie beflügeln die Fantasie und bieten Stoff für skurrile Geschichten. Eine Arbeit zum Thema „Zeitreisen und Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit“ zwingt zu einer Auseinandersetzung mit dem Begriff der „Zeit“. Die Vielschichtigkeit und der antinomische Charakter dieses Begriffes machen es schwer, „Zeit“ genauer zu fassen. Zeit tritt uns entgegen als Form der Wahrnehmung in ihrer zutiefst subjektiven Seite, als biologischer Rhythmus, als soziales Phänomen im Sinne einer kollektiven Zeitbestimmung, aber eben auch als physikalischer Parameter. Einsteins Relativitätstheorie revolutioniert unsere Vorstellungen von Raum und Zeit, indem sie sich vom newton-mechanischen Konzept des absoluten Raumes und der absoluten Zeit löst. Sie macht aber das, was bei Wells zehn Jahre vorher noch reine Fiktion war, zu einem für die Physik diskussionswürdigen Thema, nämlich das „Problem der Zeitreisen“. Einsteins Spezielle Relativitätstheorie (1905) erlaubt durch den von ihr vorhergesagten Effekt der Zeitdilatation „Reisen in die Zukunft“, und die Einstein’sche Gravitationstheorie lässt geschlossene zeitartige Linien als Lösungen ihrer Gleichungen zu (z. B. Gödel-Kosmos, Anti-de-Sitter-Kosmos). Allerdings würde eine Reise auf einer Zeitschleife sofort ein ganzes Bündel von Paradoxien (z. B. Großvater-Paradoxon, Informationsparadoxon) und semantischen Inkonsistenzen nach sich ziehen. Obwohl erstaunlicherweise die fundamentalen Gesetze der Physik (abgesehen von extrem seltenen und makroskopisch nicht in Erscheinung tretenden quantenmechanischen Effekten) bei einer Zeitumkehr nicht verletzt würden, scheint es in der Natur doch ein grundsätzliches Verbot von Vergangenheitsreisen zu geben. Der Physiker Dieter Zeh, dessen Position im Schlusskapitel der Arbeit näher beleuchtet wird, vertritt die Auffassung, dass die Science-Fiction-Literatur zum Thema „Zeitreisen“ überwiegend auf einfachen begrifflichen Fehlern beruhe. Die in Anlehnung an die Allgemeine Relativitätstheorie konstruierten Vorgänge seien bestenfalls genauso „theoretisch möglich“ wie ein Gas, das sich von selbst in einer Ecke des Gefäßes versammelt. Die vorliegende Arbeit erörtert Ansätze für „Zeitmaschinen“ und superluminale Prozesse, die in Einklang mit der modernen Physik stehen. Besprochen werden u. a. die Tachyonen-Hypothese, Tiplers rotierender Zylinder, der Gödel-Kosmos, der Anti-de-Sitter-Kosmos, die sogenannten „Wurmlöcher“ und die Alcubierre-Metrik. Zugleich sollen Ansätze vorgestellt werden (z. B. Eternalismus, Viele-Welten-Modell, Prinzip der konsistenten Geschichte), die Lösungsversuche für die Paradoxien von Vergangenheitsreisen bieten. Um die Reisen in die Vergangenheit und Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit scheint es zu stehen wie mit einer Anfrage an Radio Jerewan; die Antwort lautet stets: „Im Prinzip ja, aber …“ Doch die Faszination dieser Idee wird weiterhin Stoff für die „Fiction“ liefern. / Time travel and superluminal travel are two of mankind's dreams. They inspire our imagination and provide material for bizarre stories. A work on the subject of time travel and superluminal travel forces us to re-examine our concept of "time". The complexity and the contradictory nature this subject makes it difficult to be more precise about "time". On its deepest subjective side, time is a means of perception, a biological rhythm, a social phenomenon in terms of our collective understanding of time. But it is also a physical parameter. Einstein's Theory of Relativity revolutionised our idea of space and time by freeing us from the Newtonian concept of absolute space and absolute time. The "problem of time travel", a subject that Wells wrote about just ten years before as mere fiction, was now a discussion worthy of physics. Einstein's Special Theory of Relativity (1905), by predicting the effects of time dilation, allowed for "travels into the future" and Einstein's Theory of Gravity used closed time-like lines for solutions to calculations about time travel (for example, the Gödel Universe and the Anti-de Sitter Universe). However, a trip to a time warp would immediately involve a whole set of paradoxes (for example, the grandfather paradox and the information paradox) and semantic inconsistencies. Surprisingly, the fundamental laws of physics (apart from extremely rare and non-emergent macroscopic quantum mechanical effects) are not violated by the concept of time reversal. Yet, in nature, there still seems to be a fundamental prohibition against time travel to the past. Physicist Dieter Zeh, whose position is more closely presented in the final chapter of this work, supports the view that science fiction literature on the subject of "time travel" is overwhelmingly based on simple conceptual errors. The processes used in this literature, which are based on the General Theory of Relativity, at best, are just as "theoretically possible" as a gas which gathers itself into the corner of a container. This work discusses approaches for "time machines" and superluminal travel which are consistent with modern physics. Some of the discussions that will be presented are the tachyon hypothesis, Tipler's rotating cylinder, the Gödel Universe, the Anti-de Sitter Universe, so-called "wormholes" and the Alcubierre-metric. At the same time, approaches will be presented (for example, Eternalism, the Many-Worlds Interpretation and the Consistent Histories Approach) that will provide attempts to find a solution for paradoxes regarding time travel to the past. Questions about time travel to the past and superluminal travel are like the questions asked on Radio Yerevan. The answer is always, "In principle yes, but…" But the fascination about time travel will continue to provide material for "fiction".