[論文レビュー] Back-reaction of the Hawking radiation flux on a gravitationally collapsing star II: Fireworks instead of firewalls

Laura Mersini–Houghton, Harald Pfeiffer|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2014

Quantum Electrodynamics and Casimir Effect被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、Hawking放射の背後に働くエネルギー流束を、収縮を遅らせたり逆転させたりする内向きに伝播する負のエネルギー流束としてモデル化することで、重力的収縮星におけるHawking放射の背後に働く影響を調査している。4次元の完全なアインシュタイン方程式と流体力学方程式を用い、初期状態にUnruh真空を採用することで、星は事象の地平線も特異点も形成せず蒸発することが示された。これは、火炎の壁（firewall）の代わりに、動的で地平線のない蒸発過程「花火（fireworks）」に置き換わる。

ABSTRACT

A star collapsing gravitationally into a black hole emits a flux of radiation, known as Hawking radiation. When the initial state of a quantum field on the background of the star, is placed in the Unruh vacuum in the far past, then in the exterior Hawking radiation corresponds to a flux of positive energy radiation travelling outwards from near the surface to future infinity. Based on pair creation, the evaporation of the collapsing star can be equivalently described by the absorption of an ingoing negative energy flux of radiation travelling towards the center of the star. Here, we are interested in the evolution of the star during its collapse. Thus we include the backreaction of the negative energy Hawking flux in the interior geometry of the collapsing star when writing the full 4-dimensional Einstein and hydrodynamic equations. Hawking radiation emitted before the star passes through its Schwarzschild radius slows down and reverses the collapse of the star. The star evaporates without forming an horizon or a singularity. This study provides a more realistic investigation than the one first presented in [1], since the backreaction of Hawking radiation flux on the collapsing star is studied in the case when the initial state of the field is in Unruh's vacuum.

研究の動機と目的

• 完全な4次元アインシュタイン方程式と流体力学方程式を用いて、Hawking放射の背後に働く影響を星の収縮にモデル化すること。
• Hawking放射の負のエネルギー流束が重力的収縮を停止・逆転させられるかどうかを調査すること。
• 初期量子状態がUnruh真空である場合に、事象の地平線や特異点が形成されるかどうかを特定すること。
• 動的収縮における量子場の背後に働く影響を組み込むことで、火炎の壁のシナリオに代わるより現実的な代替案を提供すること。

提案手法

• 粒子生成過程を介して、Hawking放射の流束を内向きの負のエネルギー流束としてモデル化すること。
• 収縮星の4次元完全アインシュタイン方程式と流体力学方程式を連立して解くこと。
• 遠い過去における場の初期状態としてUnruh真空を採用すること。
• 系を動的に進化させ、負のエネルギー流束が星の内部幾何学と収縮ダイナミクスに与える影響を追跡すること。
• 星の半径とエネルギー密度の進化を分析し、地平線の形成や収縮の逆転を検出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Hawking放射の負のエネルギー流束の背後に働く影響が、重力的収縮中に事象の地平線の形成を防ぐのか？
• RQ2 Hawking放射からのエネルギー流束によって星が収縮を逆転させ、地平線のない蒸発に至るのか？
• RQ3 初期状態がUnruh真空である場合、量子的背後に働く影響が収縮星のダイナミクスにどのように影響するのか？
• RQ4 量子放射効果を完全に組み込んだ場合、星の最終状態の性質は何か？

主な発見

• Hawking放射に起因する負のエネルギー流束が、星の重力的収縮を遅らせ、最終的に逆転させる。
• 星は事象の地平線も時空特異点も形成せず、完全に蒸発する。
• 最終的な結果は、火炎の壁を伴うブラックホールではなく、動的で地平線のない過程「花火（fireworks）」に類似したものである。
• 完全な4次元アインシュタイン-流体力学フレームワークにおいて背後に働く影響を組み込むことで、特異点も地平線もない蒸発シナリオが得られる。