[論文レビュー] Burst of particles from the falling asleep of the vacuum (or Tachyonic instability in relativistic stars)

André G. S. Landulfo, William C. C. Lima+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2012

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、強い曲率を示す相対論的星におけるタキオン的不安定性が、断熱的極限でさえも、真空揺らぎを引き起こし、粒子生成を引き起こすことを示している。不安定性は急速な真空エネルギーの増大を引き起こし、その終了時に得られる粒子生成は、不安定段階の持続時間と最終的状態に依存する。

ABSTRACT

Dense enough compact objects were recently shown to lead to an exponentially fast increase of the vacuum energy density for some free scalar fields properly coupled to the spacetime curvature as a consequence of a tachyonic-like instability. Once the effect is triggered, the star energy density would be overwhelmed by the vacuum energy density in a few milliseconds. This demands that eventually geometry and field evolve to a new configuration to bring the vacuum back to a stationary regime. Here, we show that the vacuum fluctuations built up during the unstable epoch lead to particle creation in the final stationary state when the tachyonic instability ceases. The amount of created particles depends mostly on the duration of the unstable epoch and final stationary configuration, which are open issues at this point. We emphasize that the particle creation coming from the tachyonic instability will occur even in the adiabatic limit, where the spacetime geometry changes arbitrarily slowly, and therefore is quite distinct from the usual particle creation due to the change in the background geometry.

研究の動機と目的

• 密度の高いコンパクト物体におけるタキオン的不安定性が、真空エネルギーの増大と粒子生成にどのように寄与するかを調査すること。
• 従来の理解に挑戦するように、断熱的時空発展下でも粒子生成が生じるかどうかを特定すること。
• 不安定段階の持続時間と最終的状態に依存する粒子生成の依存関係を分析すること。
• タキオン的不安定性に起因する粒子生成と、標準的な動的時空変化に起因するものとの違いを明確にすること。

提案手法

• コンパクト物体の強い重力場における時空曲率に結合する自由スカラー場のモデル化。
• 真空エネルギー密度の指数的増大を引き起こすタキオン的不安定性の分析。
• 曲がった時空における量子場理論を用いて、不安定段階中およびその直後に発生する粒子生成を計算すること。
• 最終的な定常状態を評価し、生成された粒子のスペクトルと数を特定すること。
• 標準的な粒子生成メカニズムと比較することで、タキオン的寄与を分離すること。
• 断熱極限に注目し、幾何学的変化がゆっくりであっても粒子生成が継続することを示すこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相対論的星におけるタキオン的不安定性は、顕著な真空エネルギーの増大とそれに続く粒子生成を引き起こすか？
• RQ2 時空がゆっくりと変化する断熱極限においても、タキオン的不安定性に起因する粒子生成は生じるか？
• RQ3 不安定段階の持続時間は、生成された粒子数にどのように影響するか？
• RQ4 不安定性が終了し、系が定常状態に達した後、最終的な粒子スペクトルは何かによって決定されるか？
• RQ5 タキオン的粒子生成は、動的時空幾何による従来の粒子生成とどのように異なるか？

主な発見

• 密度の高いコンパクト物体におけるタキオン的不安定性は、真空エネルギー密度の指数的増大を引き起こし、数ミリ秒のうちに星のエネルギー密度を凌駕する。
• 時空幾何がゆっくりと変化する断熱極限であっても、タキオン的不安定性により粒子生成が生じる。これは、標準的な動的粒子生成とは明確に異なる。
• 生成された粒子の数は、主に不安定期の持続時間と、系の最終的定常状態に依存する。
• 不安定段階中に生成された真空揺らぎは、最終的な定常状態において非ゼロの粒子集団をもたらす。
• このメカニズムは、通常の曲率に起因する粒子生成とは独立した、新たな粒子生成経路を示唆する。
• 最終的な状態は、真空を安定化させるために動的に進化する必要があり、生成された粒子が幾何に非自明なバックレアクションを及ぼすことを示唆する。