[論文レビュー] Primordial Universe Inside the Black Hole and Inflation

Hassan Firouzjahi|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2016

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 7被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、初期宇宙が原始的ブラックホールの内部から始まったと提唱しており、ブラックホールの内部はde Sitter (dS)時空として記述される。インフレーションはブラックホールの事象の地平線における量子揺らぎから自然に生じ、ホーキング放射がインフレーションを終了させ、再熱を引き起こし、高温ビッグバンを引き起こす。このモデルは、スケール不変に近いスカラーおよびテンソル摂動を予測し、テンソル対スカラー比が約10⁻³のオーダーとなり、インフレートン場を必要としないインフレーションのメカニズムを提供する。

ABSTRACT

We speculate that the early Universe was inside a primordial black hole. The interior of the the black hole is a dS background and the two spacetimes are separated on the surface of black hole's event horizon. We argue that this picture provides a natural realization of inflation without invoking the inflaton field. The black hole evaporation by Hawking radiation provides a natural mechanism for terminating inflation so reheating and the hot big bang cosmology starts from the evaporation of black hole to relativistic particles. The quantum gravitational fluctuations at the boundary of black hole generate the nearly scale invariant scalar and tensor perturbations with the ratio of tensor to scalar power spectra at the order of $10^{-3}$. As the black hole evaporates, the radius of its event horizon shrinks and the Hubble expansion rate during inflation increases slowly so the quantum Hawking radiation provides a novel mechanism for the violation of null energy condition in cosmology.

研究の動機と目的

• 初期宇宙が原始的ブラックホールの内部から始まった可能性を検討し、標準的インフレーションモデルの代替を提示すること。
• インフレートン場に基づくインフレーションの概念的欠陥（インフレートン場の性質や初期の特異点）を解決すること。
• 特にホーキング放射を用いたブラックホール物理学に基づき、基本的なスカラー場を導入せずにインフレーションと再熱のメカニズムを提供すること。
• 観測可能な原始的摂動（スカラーおよびテンソル）を生成し、そのスペクトルがCMB観測と一致することを示すこと。
• 複数のブラックホールが存在する場合のマルチバースや、宇宙定数問題への影響を検討すること。

提案手法

• 本稿では、原始的ブラックホールの内部をde Sitter (dS)時空としてモデル化し、事象の地平線を宇宙論的地平線として扱う。
• 事象の地平線でdS内部と外部のシュバルツシルト幾何学を一致させ、地平線半径がハッブル半径に等しいと仮定する（r₀ = 2GM = H⁻¹）。
• 地平線における量子重力的揺らぎが、ほぼスケール不変なスカラーおよびテンソル摂動を生成し、dS真空から得られるスペクトルが導出される。
• ブラックホールからのホーキング放射が、インフレーションの自然な終了メカニズムを提供し、再熱を経て高温ビッグバンに移行する。
• 境界を越える外向き曲率の一致を用いて整合性を評価するが、地平線でKᵗᵗに特異性が生じることを特定し、量子補正や表面エネルギー密度の必要性を示唆する。
• 蒸発過程における地平線半径の時間的変化は、ゆっくりと増加するハッブル率をもたらし、これは動的にエネルギー条件を破る。

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の内部の物理を活用することで、インフレートン場を必要とせずにインフレーションを実現できるか？
• RQ2 ブラックホール宇宙論の枠組み内で、インフレーションの終了と再熱を自然に説明できるか？
• RQ3 このモデルにおけるほぼスケール不変な原始的摂動の起源は何か？ また、そのテンソル対スカラー比は？
• RQ4 ブラックホールの蒸発がハッブル膨張率に与える影響は何か？ これはエネルギー条件の破壊を引き起こすか？
• RQ5 ビッグバン特異点をブラックホールの地平線に置き換えることで、初期特異点問題を解決できるか？

主な発見

• 量子揺らぎがブラックホールの地平線で生じるため、ほぼスケール不変なスカラーおよびテンソル摂動が生成され、CMB観測と整合的である。
• テンソル対スカラー比は約10⁻³のオーダーであり、プランクおよびリゴの現在の観測制約と一致する。
• 原始的ブラックホールからのホーキング放射が、インフレーションの自然な終了メカニズムを提供し、再熱を経て高温ビッグバンを引き起こす。
• ブラックホールが蒸発するにつれ、事象の地平線が収縮し、ハッブル膨張率がゆっくりと増加する。これは動的にエネルギー条件を破る。
• r₀ = 2GM = H⁻¹におけるdS内部とブラックホール外部の一致は、Kᵗᵗ成分に特異性を生じさせ、量子補正や表面エネルギー密度の必要性を示唆する。
• 複数の原始的ブラックホールが存在する場合、それぞれが別個の宇宙を宿すマルチバースを示唆し、宇宙定数問題の解決への手がかりを示唆する。