[論文レビュー] Astrophysical black holes may radiate, but they do not evaporate

George Ellis|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2013

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 41被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、時空的外側に局所的に存在する時的境界付き表面（EMOTS）の近くでの放射の局所的性質により、宇宙物理学的ブラックホールはホーキング放射によって完全に蒸発しないと主張している。大部分の放射は、無限遠に至らずに時空的特異点へ落ち込む。その結果、有限の残渣質量とエントロピーが残り、情報パラドックスは事象の地平線の内側に情報損失が閉じ込められることで解決される。

ABSTRACT

This paper argues that the effect of Hawking radiation on an astrophysical black hole situated in a realistic cosmological context is not total evaporation of the black hole; rather there will always be a remnant mass. The key point is that the locus of emission of Hawking radiation is not the globally defined event horizon. Rather the emission domain lies just outside a timelike Marginal Outer Trapped Surface that is locally defined. The emission domain is mainly located inside the event horizon. A spacelike singularity forms behind the event horizon, and most of the Hawking radiation ends up at this singularity rather than at infinity. Whether any Hawking radiation reaches infinity depends on the relation between the emission domain and the event horizon. From the outside view, even if radiation is seen as always being emitted, the black hole never evaporates away, rather its mass and entropy asymptote to finite non-zero limits, and the event horizon always acts as a sink for matter and information. From an inside view, the matter and information disappear into the singularity, which is the boundary of spacetime. The argument is based on the nature of the processes at work plus a careful delineation of the relevant causal domains; in order to confirm this model and determine details of the outcome, detailed calculations of the expectation value of the stress-energy-momentum tensor are needed to determine back reaction effects.

研究の動機と目的

• 宇宙物理学的ブラックホールがホーキング放射によって完全に蒸発するという一般的な見解に反論すること。
• 情報が無限遠ではなく時空的特異点で失われるという事実により、ブラックホール情報パラドックスを解消すること。
• 事象の地平線がホーキング放射の放射源ではないこと、むしろ放射が吸収される因果的境界であることを確立すること。
• ブラックホールに新たな熱力学第三法則を提唱すること。すなわち、エントロピーを放射過程によってゼロにまで低下させることは不可能である。
• ブラックホールの最終状態が完全蒸発ではなく、非ゼロの質量とエントロピーを持つ安定な残渣であることを主張すること。

提案手法

• 球対称性を仮定した時空の因果的構造を分析し、放射領域が事象の地平線および境界付き表面の相対的位置関係に注目する。
• ホーキング放射の発生源を、グローバルに定義された事象の地平線ではなく、局所的に定義された時的EMOTS（外側に境界付きな表面）と特定する。
• パルフ・ウィルツェックの粒子放射モデルを用いて、放射をエネルギー損失がEMOTSから生じる局所的プロセスとして記述する。
• EMOTSおよびOMOTS（外側に最も外側の境界付き表面）における放射の反作用効果を検討し、最終的な質量および事象の地平線の位置を決定する。
• 放射の反作用をモデル化するために、ストレステンソルの期待値を適用するが、完全な計算は未実施である。
• 『明るい』（放射が無限遠に到達する）と『暗い』（放射が特異点へ落下する）の二つの状況を比較し、時空幾何学的要因により、後者がより妥当であると結論する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ホーキング放射は事象の地平線から発生するのではなく、局所的に定義された境界付き表面から発生するのか？
• RQ2 ホーキング放射は無限遠に到達できるのか、それとも大部分が時空的特異点へ落下するのか？
• RQ3 放射放出後のブラックホールの最終的残渣質量はどのように決定されるのか？
• RQ4 時空的特異点の存在が、ブラックホール蒸発における情報とエネルギーのバランスにどのように影響するのか？
• RQ5 ブラックホールの最終状態は安定な残渣であるのか、それとも完全に蒸発するのか？

主な発見

• ホーキング放射は、グローバルに定義された事象の地平線ではなく、境界付き表面の外側に位置する局所的に定義された時的EMOTSから発生する。
• 時空の曲率およびCMBの収束効果により、大部分のホーキング放射は無限遠に至らず、未来の時空的特異点へ向かう。
• 最終的残渣質量は $ m_{\text{final}} = m_0 - \Delta m_{\text{emit}} $ で与えられ、ここで $ \Delta m_{\text{emit}} \geq 0 $ であり、$ m_{\text{final}} > 0 $ であるため、非ゼロの質量が残存する。
• 最終状態は、事象の地平線に囲まれた時空的特異点であり、ブラックホールは完全に蒸発しない。
• 情報損失パラドックスは、特異点が外部宇宙と因果的に分離されているため、情報が特異点で失われるという事実により解決される。
• 新たな熱力学第三法則が示唆される。すなわち、有限の残渣が常に残るため、放射過程によってブラックホールのエントロピーをゼロにまで低下させることは不可能である。