[論文レビュー] Dynamical 3-Space: Black Holes in an Expanding Universe

David P. Rothall, Reginald T. Cahill|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2013

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 13被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、動的3次元空間理論において、ブラックホールが自然にハッブル膨張と共存することを提案し、長距離の流入解を生成することで、宇宙のスケールフィラメント構造やバブル状のネットワーク構造を形成するとする。理論は、バリオン性物質やダークエネルギーを必要とせず、空間の内在的ダイナミクスによってダークマターに似た効果や大規模構造形成を説明する。また、安定で時間発展するブラックホールとフィラメントのネットワークが、宇宙で観測される宇宙の空洞やフィラメントを形成すると予測する。

ABSTRACT

Black holes are usually studied without including effects of the expanding universe. However in some recent studies black holes have been embedded in an expanding universe, in order to determine the interplay, if any, of these two dynamical processes. Dynamical 3-space theory contains time independent solutions for black holes, which are spatial in-flows, and separately the time dependent Hubble expansion. This theory has explained numerous puzzles in observational astrophysics and contains 3 constants; G, alpha - which from experimental data turns out to be the fine structure constant, and delta - which is a small but nonzero distance, possibly a Planck-type length. The Hubble expansion in the dynamical 3-space theory cannot be `switched off', forcing the study, first, of isolated black holes coexisting with the expanding universe. It is shown that a time dependent black hole and expanding universe solution exists. The nature and implications of these solutions are discussed as they evolve over time. A dynamical network of black holes and induced linking cosmic filaments forming bubble structures is discussed, as a consequence of dynamical 3-space undergoing a dynamical breakdown of homogeneity and isotropy, even in the absence of baryonic matter.

研究の動機と目的

• 動的3次元空間理論において、孤立したブラックホールが膨張する宇宙に埋め込まれた場合の挙動を調査すること。
• 恒久的なハッブル膨張のもとでも、ブラックホールの長距離流入解が有効であるかどうかを特定すること。
• 均一性と等方性の破壊に起因する空間の動的変化から、宇宙フィラメントネットワークやバブル状構造がどのように出現するかを探索すること。
• 銀河フィラメントや空洞といった大規模天体物理学的構造が、バリオン性物質に依存しない空間ダイナミクスの自己組織化によって説明可能かどうかを明らかにすること。

提案手法

• 論文は、速度場 v(r,t) をモデル化する非線形的・非幾何的場方程式（式1）を用い、空間を動的でフラクタルな量子フォームとみなす。
• ハッブル定数 H₀ = 74 km s⁻¹ Mpc⁻¹ を用いて、ハッブル膨張に埋め込まれたブラックホールの時間依存解を導出する。
• 理論は、空間内の自己相互作用と曲率効果を支配する2つの基本定数 α ≈ 1/137（微細構造定数）と δ（小さなプランクスケール長）を組み込む。
• 重力加速度を g = ∂v/∂t + (v·∇)v + ... として、局所的な空間速度 v（物質に対する相対速度）の量子波の屈折効果としてモデル化する。
• 速度場のひずみテンソルの発散から有効なダークマター密度 ρDM を予測し、未発見の質量を仮定せず平坦な回転曲線を説明する。
• 数値的および模式的な解（図6–8）により、複数のブラックホールからの流入が時間経過とともに接続フィラメントや安定なバブル状ネットワークに進化する様子を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動的3次元空間理論において、孤立したブラックホール解が、膨張する宇宙に埋め込まれた場合でも一貫性を保つことができるか？
• RQ2 複数のブラックホールが、その長距離流入領域が膨張する空間内で重なり合うと、どのように相互作用するか？
• RQ3 物質が存在しない状況でも、3次元空間の均一性と等方性の破壊からどのような構造が生じるか？
• RQ4 観測されたフィラメントと空洞の宇宙網構造が、ダークマターや宇宙定数に依存せず、空間の内在的ダイナミクスによって説明可能か？
• RQ5 この理論において、ハッブル膨張とブラックホール解は動的に切り離せない関係にあり、構造形成にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 動的3次元空間理論において、ハッブル膨張と共存するブラックホールの時間依存解が存在し、膨張を抑制する自由パrameterは存在しない。
• ブラックホールの影響範囲は、流入が逆転する半径 rc で定義され、銀河中心のSgrA*ブラックホールでは rc ≈ 1.6 Mpc であり、銀河スケールの力学と整合的である。
• 流入速度の長距離1/r依存性が、未発見の質量を仮定せず、銀河の回転曲線における「ダークマター効果」を説明する。
• 複数のブラックホールが互いに影響し合う領域にあると、その流入場は接続フィラメントへと進化し、ネットワーク構造を形成する。
• 系は、ハッブル膨張と内向きの空間流れのバランスによって、安定なバブル状構造へ自己組織化し、観測された宇宙の空洞やフィラメントネットワークと一致する。
• フィラメントと空洞の形成は、バリオン性物質が存在しない状況でも、初期ブラックホールに起因する空間の動的不安定性に起因する。これは、空間ダイナミクスそのものが大規模構造を形成する種となる可能性を示唆する。