[論文レビュー] Planck stars: new sources in radio and gamma astronomy?

Carlo Rovelli|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、初期宇宙における原始的ブラックホールが、量子重力的崩壊を経て『プラネック星』として反発し、プランク密度におけるトンネル効果によって検出可能な電波およびガンマ線バーストを発生させ得ると提案している。これらの信号は、標準的宇宙論的赤方偏移とは異なり、波長-距離関係が平坦化されており、量子重力効果の観測的兆候としての可能性を示している。

ABSTRACT

A new phenomenon, recently studied in theoretical physics, may have considerable interest for astronomers: the explosive decay of old primordial black holes via quantum tunnelling. Models predict radio and gamma bursts with a characteristic frequency-distance relation making them identifiable. Their detection would be of major theoretical importance.

研究の動機と目的

• 原始的ブラックホールにおける量子重力効果が、観測可能な天体物理学的現象を引き起こす可能性を検討すること。
• 特異点の形成を回避するため、プランク密度における量子トンネル効果によってブラックホールが『反発』し爆発するメカニズムを同定すること。
• そのような爆発が、電波バーストと高エネルギーガンマ線バーストの2つの検出可能な成分を生成すると提唱すること。
• これらの信号の波長-距離関係が、標準的宇宙論的赤方偏移と比較して平坦化されることを示し、識別可能であることを示すこと。
• これらの信号を検出することは、量子重力の直接的観測的証拠となると主張すること。

提案手法

• 初期宇宙における物質の崩壊をモデル化し、プランク密度に達する原始的ブラックホールを形成する。この領域では、量子重力効果が支配的になる。
• ループ量子重力の原則を適用し、プランク密度で重力が強く反発的になることにより特異点が形成されないバーストを記述する。
• 一般相対性理論の時間遅延効果を用いて、固有時間ではミリ秒単位で急速に発生するが、外部の宇宙論的時間では数百万年間にわたって遅く進行するバーストを説明する。
• トンネルモデルを用いてその崩壊時間を導出する：$ \tau \sim \frac{m^2}{m_{\text{Planck}}^2} t_{\text{Planck}} $ であり、これは惑星質量ブラックホールの寿命がハッブル時間と同等であることを示唆する。
• ブラックホールのサイズと形成歴に基づき、低エネルギー電波成分（約mm波長）と高エネルギーガンマ線成分（約TeV）の期待される放射スペクトルを計算する。
• 標準的宇宙論的赤方偏移を緩和する修正された赤方偏移-距離関係（式3）を予測し、他の天体的源とは区別可能な信号を特徴づける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原始的ブラックホールにおける量子重力効果が、観測可能な爆発的現象を引き起こす可能性はあるか？
• RQ2 そのような量子重力的爆発からの信号の特徴的な周波数と距離依存性は何か？
• RQ3 巨大な重力的時間遅延効果が、プラネック星爆発の観測された時系列にどのように影響するか？
• RQ4 予測された信号は、高速電波バーストやガンマ線バーストなどの他の天体的トランスジェントと区別できるか？
• RQ5 プラネック星が量子重力の現れ方として存在することを確認する観測的兆候は何か？

主な発見

• 惑星質量の原始的ブラックホールは、現在のハッブル時間と同等の寿命を持つと予測され、今日でも観測可能である可能性がある。
• そのようなブラックホールの爆発は、約 $ 10^{47} \text{erg} $ のエネルギーを放出する。これは、小さな惑星の質量に相当し、ミリメートルサイズの領域から発生する。
• 電波成分の信号は、約0.2 mmの波長でピークを示し、ハッブル望遠鏡のPACSおよびSPIREのような機器の感度範囲に含まれる。
• 高エネルギーガンマ線成分はTeV領域に予測され、初期宇宙形成時に閉じ込められた光子のエネルギースケールと整合する。
• 両成分の観測された波長-距離関係は、標準的宇宙論的赤方偏移と比較して平坦化されており、式（3）で記述され、特徴的な観測的兆候を提供する。
• プラネック星の集団からの統合的拡散放射は、わずかに歪んだ黒体スペクトルに似たスペクトルを生成するが、既知のいかなる天体的背景とも明確に異なる。