[論文レビュー] Detecting Planet 9 via Hawking radiation

Alexandre Arbey, Jérémy Auffinger|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2020

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 46被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、仮説的な惑星9が原始的ブラックホール（PBH）である場合、Breakthrough Starshot風のナノスケール宇宙船群を用いて、GHz帯の電波領域におけるホーキング放射を検出する手法を提案する。飛行ミッションでは、圧倒的な宇宙マイクロ波背景放射（CMB）ノイズのため、信号が極めて弱いため検出が困難であるが、この研究は、質量が0.01 M⊕未満の軽いPBHはCMBを上回るホーキング放射を発する可能性があることを示しており、ブラックホール熱力学の直接的検証を目的とした軌道ミッションの最適な標的であると強調している。

ABSTRACT

Concordant evidence points towards the existence of a ninth planet in the Solar System at more than $400\,$AU from the Sun. In particular, trans-Neptunian object orbits are perturbed by the presence of a putative gravitational source. Since this planet has not yet been observationally found with conventional telescope research, it has been argued that it could be a dark compact object, namely a black hole of probably primordial origin. Within this assumption, we discuss the possibility of detecting Planet 9 via a sub-relativistic spacecraft fly-by and the measure of its Hawking radiation in the radio band and conclude that it is too faint compared to the CMB. We thus present other perspectives with rather a satellite mission and conclude that smaller black holes would give much more interesting signals. We emphasize the importance of the study of such Hawking radiation laboratories in the Solar System.

研究の動機と目的

• 仮説的惑星9が原始的ブラックホール（PBH）である場合、そのホーキング放射放出を検出する可能性を検討すること。
• 亜相対論的宇宙船の飛行ミッションが、宇宙空間のノイズが存在する中で、ホーキング放射の微弱な電波信号を検出可能かどうかを評価すること。
• 太陽系外縁部の天体周囲の軌道ミッションが、発光度がCMBを上回る軽いPBHからのホーキング放射を検出できる可能性を評価すること。
• ホーキング放射の検出が、量子重力理論の予測を検証し、ブラックホール熱力学を直接検証する上で与える意味を調査すること。
• 背景雑音の影響を最小限に抑えつつ、検出可能なホーキング放射を最大化するPBHの質量およびスピンパラメータを特定すること。

提案手法

• 質量5–10 M⊕、スピンa* = 0–0.99のPBHからのホーキング放射放出をモデル化し、標準的な黒体スペクトル式を用いてGHz帯の電波放射度を計算する。
• インパクト・パラメータb ~ 100 kmの飛行ミッションにおける信号対雑音比を推定し、bの逆二乗依存性を考慮する。
• 特に質量の大きいPBHに対して、宇宙マイクロ波背景放射（CMB）が主要な雑音源であることを評価する。
• 質量M ≤ 10⁻² M⊕の軽いPBHからのホーキング放射の検出可能性を評価し、ブラックホール温度T ≈ 2.7 KがCMBピークと一致する条件を検討する。
• CMBを遮蔽し、長時間にわたる積分を可能にするために、海王星外天体の周囲を周回する人工衛星ミッションの構想を提示する。
• 数値シミュレーションを用いて、さまざまな質量およびスピンにおけるPBHの放射スペクトルとCMBスペクトルを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 300–1000 AUの距離に位置する5–10 M⊕のブラックホールからのホーキング放射は、亜相対論的宇宙船の飛行ミッションによってGHz帯電波領域で検出可能か？
• RQ2 宇宙空間の物質によるノイズが、飛行ミッション中の微小な重力歪みの測定可能性に与える影響は何か？ホーキング放射検出は、この制限を回避できるか？
• RQ3 さまざまな質量およびスピンを有するPBHからのホーキング放射の検出限界は何か？特にCMBとの比較において。
• RQ4 質量≤0.01 M⊕の軽いPBHは、CMBを上回るホーキング放射を発する可能性があるか？その場合、直接検出が可能になるか？
• RQ5 仮説的惑星9からのホーキング放射を検出するにあたり、飛行ミッションと軌道ミッションのどちらがより効果的か？

主な発見

• CMBの背景放射が圧倒的であるため、5–10 M⊕の惑星9からのホーキング放射は、先進的な電波検出技術を用いても飛行ミッションでは検出が困難である。
• 惑星9からの電波放射度はインパクト・パラメータbの二乗に反比例するため、検出の可能性を得るにはb ~ 100 km以内の飛行が不可欠である。
• 質量≤10⁻² M⊕のPBHでは、ホーキング放射の放射度がCMBピーク（約2.7 K）を上回るため、検出に適した候補となる。
• 高スピン（a* = 0.99）は重力波放射を最大4桁まで増幅させる可能性があるが、GHz帯での検出は未だ証明されていない。
• 海王星外天体の周囲を周回するミッションは、CMBの遮蔽と長時間積分を可能にし、軽いPBHからのホーキング放射検出の可能性を著しく向上させる。
• このようなPBHからのホーキング放射が否定的検出された場合、その強度に対する最初の上限が得られ、現在の理論的予測に疑問を呈する可能性がある。