[論文レビュー] Physical black holes in semiclassical gravity

Sebastian Murk, Daniel R. Terno|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、遠方観測者にとって有限時間で可視的ホライズンが形成される条件下における半古典的重力理論における物理的ブラックホールの形成を検討する。このホライズンはエネルギー条件の破れを要し、形成後は降着が不可能であり、ホーキング放射に類似した放射と標準的な表面重力定義が整合しないことを示唆する。これは、形成に十分な時間がなく、量子重力効果の影響があるため、観測された天体的ブラックホールが真のホライズンを持たない可能性を示している。

ABSTRACT

We derive and critically examine the consequences that follow from the formation of a regular black or white hole horizon in finite time of a distant observer. In spherical symmetry, only two distinct classes of solutions to the semiclassical Einstein equations are self-consistent. Both are required to describe the formation of physical black holes and violate the null energy condition in the vicinity of the outer apparent horizon. The near-horizon geometry differs considerably from that of classical solutions. If semiclassical physics is valid, accretion into a black hole is no longer possible after the horizon has formed. In addition, the two principal generalizations of surface gravity to dynamical spacetimes are irreconcilable, and neither can describe the emission of nearly-thermal radiation. Comparison of the required energy and timescales with established semiclassical results suggests that if the observed astrophysical black holes indeed have horizons, their formation is associated with new physics.

研究の動機と目的

• 遠方観測者にとって球対称性下で有限時間にわたって正則なブラックホールホライズンが形成される場合の、物理的および幾何的結果を特定すること。
• 半古典的重力理論が特異点や新しい物理を伴わずに一貫したブラックホール形成を許容するかを評価すること。
• 有限時間でのホライズン形成を伴う動的時空において、標準的な表面重力定義とホーキング放射の妥当性を評価すること。
• 観測された天体的ブラックホールが、ホライズンの形成に十分な時間がなく、実際にはホライズンのない超密な物体である可能性を調査すること。

提案手法

• 有限時間でのホライズン形成を仮定したもとで、半古典的アインシュタイン方程式の球対称解を導出し、分類する。
• 物理的ブラックホールの特徴として、グローバルな事象ホライズンに代わって局所的で観測可能な「可視的ホライズン」を定義に用いる。
• コダマベクトルと表面重力の定義を用いてホライズン近傍の幾何を解析し、ピーリング版とコダマ版を比較する。
• 外側の可視的ホライズン付近におけるエネルギー条件、特にnullエネルギー条件（NEC）を評価する。
• ホーキング放射やペイジの蒸発則といった既知の半古典的結果と、得られた力学的挙動を比較する。
• ホライズン形成の時間スケールを評価し、ホーキング崩壊時間と比較することで物理的妥当性を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 球対称性下で遠方観測者にとって有限時間にわたって正則な可視的ホライズンが形成される場合、幾何的および力学的結果は何か？
• RQ2 ホライズン付近でのnullエネルギー条件（NEC）の破れは、半古典的重力理論における降着および放射放出にどのように影響するか？
• RQ3 有限時間でのホライズン形成を伴う動的時空において、表面重力の2つの標準的定義（ピーリング版とコダマ版）がなぜ整合不能なのか？
• RQ4 このような動的解において、ほぼ熱的ホーキング放射の標準的予測は実現可能か？
• RQ5 観測された天体的ブラックホールは実際にホライズンを持つのか、それともホライズンの形成に十分な時間がなく、ホライズンのない物体である可能性があるのか？

主な発見

• 遠方観測者にとって有限時間にわたって正則なホライズンが形成される場合、半古典的アインシュタイン方程式の球対称解において、一貫性を持つのは2つの異なるクラスに限られる。
• 物理的ブラックホールホライズンの形成は、外側の可視的ホライズン付近でnullエネルギー条件（NEC）の破れを要する。これは、特異な物質や量子効果の存在を示唆する。
• ホライズン形成後、半古典的物理理論ではブラックホールへの降着はもはや不可能であり、蒸発またはホワイトホールに類似した膨張が生じると示唆される。
• ホライズン形成の瞬間、コダマ表面重力はゼロとなるが、これは半古典的結果から予想される1/(4M)の標準値と矛盾する。
• 動的時空において、表面重力の2つの主な定義（ピーリング版とコダマ版）は整合不能であり、ホーキング放射の導出を根底から揺るがす。
• ホライズン形成の時間スケールは、巨視的ブラックホールではホーキング崩壊時間と同等であり、観測された天体的ブラックホールがまだホライズンを形成していない可能性を示唆する。