[論文レビュー] Black holes and traversible wormholes: a synthesis

Sean A. Hayward|ArXiv.org|Mar 14, 2002

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、外捕捉ホライズンに基づく統一枠組みを提案し、ブラックホールは一方向（非同時的）で、ウォームホールは二方向（時間的）であり、因果構造はエネルギー条件によって決定される。主な貢献は、特異物質を介したブラックホールとウォームホールの動的可逆性であり、2次元ディラトン重力理論および球対称モデルで示され、半古典的条件下で蒸発するブラックホールがウォームホールに変化することを示している。

ABSTRACT

A unified framework for black holes and traversible wormholes is described, where both are locally defined by outer trapping horizons, two-way traversible for wormholes and one-way traversible for black or white holes. In a two-dimensional dilaton gravity model, examples are given of: construction of wormholes from black holes; operation of wormholes for transport, including back-reaction; maintenance of an operating wormhole; and collapse of wormholes to black holes. In spherically symmetric Einstein gravity, several exotic matter models supporting wormhole solutions are proposed: ghost scalar fields, exotic fluids and pure ghost radiation.

研究の動機と目的

• 外捕捉ホライズンに基づく一様な局所幾何的枠組みにおいて、ブラックホールとウォームホールを統一すること。
• 長年の認識であるウォームホールとブラックホールの本質的相違を覆し、それらの動的可逆性を示すこと。
• 特異物質（負のエネルギー密度）が、ウォームホールの構築、運用、維持に果たす役割を調査すること。
• ブラックホールの蒸発がウォームホール形成に与える影響を検討し、ウォームホールがホーキング放射の終点である可能性を示唆すること。
• ゴースト場や特異流体などの具体的なモデルを発展・分析し、球対称重力理論における安定なウォームホール解を支持すること。

提案手法

• 外捕捉ホライズンを用いてブラックホールとウォームホールを定義する：ブラックホールは一方向（非同時的）、ウォームホールは二方向（時間的）であり、ホライズンの因果構造によって決定される。
• ゴーストスカラー場を伴う2次元ディラトン重力理論（CGHSモデル）を用い、ブラックホールおよびウォームホールの動的進化を解析的に解く。
• 静的ウォームホールおよびブラックホールの初期データを構築し、摂動（例：ゴースト放射の遮断、通常放射の追加）を適用して、崩壊、構築、運用、維持を模擬する。
• 3次元球対称アインシュタイン重力理論における特異物質モデルを導入する：ゴーストスカラー場、負の径方向圧力を有する特異流体、および純粋なゴースト放射。
• 光のエネルギー条件およびその破れを用いてホライズンを分類する：正のエネルギー密度は一方向（ブラックホール）行動を引き起こし、負のエネルギー密度は二方向（ウォームホール）行動を引き起こす。
• ペンローズ図を用いて、ブラックホール状態とウォームホール状態の間での捕捉ホライズンの進化を可視化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブラックホールとウォームホールは、外捕捉ホライズンのような一様な局所幾何的構造で記述可能か？
• RQ2 エネルギー密度の変化によって、ブラックホールがウォームホールに進化し、逆にウォームホールがブラックホールに変化する条件は何か？
• RQ3 ホライズンの因果的進化が示唆するように、ホーキング放射による半古典的蒸発が、ウォームホールに変化するのか？
• RQ4 放射パルスのような動的プロセスが、ウォームホールの安定性および通過可能性に与える影響は何か？
• RQ5 どのような特異物質モデルが、球対称アインシュタイン重力理論における安定で静的なウォームホール解を支持するか？

主な発見

• ブラックホールとウォームホールは動的可逆的である：負のエネルギー密度が導入されるとブラックホールはウォームホールに変化し、特異物質が除去されるとウォームホールはブラックホールに崩壊する。
• ゴーストスカラー場を伴う2次元ディラトン重力理論において、ゴースト放射による照射によって静的ウォームホールをブラックホールから構築可能であり、これが光的ホライズンを時間的ホライズンに変換し、合体して喉部を形成する。
• ウォームホールは輸送中、長期間にわたり通過可能である：通常放射のパルスがウォームホールを通る場合、二重捕捉ホライズンが一時的に分岐するが、パルスエネルギーが小さい限り通過可能性は損なわれない。
• 摂動後に静的ウォームホールを回復可能である：等しく反対のエネルギーを持つゴースト放射パルスを送ることで、分岐したホライズンが再び合体し、安定な喉部が回復する。
• 負エネルギーのホーキング放射を伴う半古典的条件下での蒸発的シュバルツシルトブラックホールは、捕捉ホライズンが時間的になるため、ウォームホールに進化する。
• ゴーストスカラー場で支えられるエリスのウォームホールは動的不安定である：ゴースト場の弱体化はブラックホールへの崩壊を引き起こし、強化はインフレーション的爆発を引き起こす。