[論文レビュー] White-hole dark matter and the origin of past low-entropy

Carlo Rovelli, Francesca Vidotto|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2018

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 29被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、蒸発したブラックホールに由来する安定でプランクスケールのホワイトホール残渣が、ダークマターを構成し、初期宇宙の低エントロピー状態と時間の矢の起源を解消する可能性を提案する。量子重力モデルによるブラックホールからホワイトホールへのトンネル効果を活用することで、著者らは、これらの残渣が自然にダークマター密度と時間の矢を、エントロピーの自己認識的解釈を通じて説明できることを主張する。ここで、低エントロピーの過去状態は、巨大な内部体積へのアクセス制限に起因する。

ABSTRACT

Recent results on the end of black hole evaporation give new weight to the hypothesis that a component of dark matter could be formed by remnants of evaporated black holes: stable Planck-size white holes with a large interior. The expected lifetime of these objects is consistent with their production at reheating. But remnants could also be pre-big bang relics in a bounce cosmology, and this possibility has strong implications on the issue of the source of past low entropy: it could realise a perspectival interpretation of past low entropy. The ideas briefly presented in this essay are developed in forthcoming papers.

研究の動機と目的

• 蒸発したブラックホールに由来するホワイトホール残渣がダークマターを説明できるかどうかを検討すること。
• 初期宇宙の低エントロピー状態と時間の矢の起源という未解決問題を扱うこと。
• 低エントロピーが根本的ではないが、ホワイトホールのアクセス不能な内部体積にわたる粗視化によって生じることを提案すること。
• ホワイトホール残渣の寿命を、特に再加熱やサイクル的宇宙論におけるビンタッチのスケールと結びつけること。
• 量子重力の予測と整合する安定でプランクスケールの残渣を物理的に説明するメカニズムを提供すること。

提案手法

• 時間対称な量子重力フレームワークを用いて、ブラックホールからホワイトホールへの遷移を量子トンネル効果でモデル化すること。
• ホワイトホール残渣の寿命スケーリング τ_WH ∼ m₀⁴ とブラックホール段階の寿命 τ_BH ∼ m₀³ を用い、初期質量 m₀ を制約すること。
• 状態記述 |m₀, m⟩ を用いて初期質量と現在の質量を符号化し、内部幾何学とホライズン面積を区別すること。
• エントロピーの観点依存性を導入し、外部観測量の粗視化が、一般にひずみた重力場において低エントロピーを生じることを示すこと。
• 量子重力的制約下でのプランクスケールのホワイトホールの安定性を分析し、トランスプランクスケールのカットオフにより、ブラックホールへの崩壊を防ぐことができることを示すこと。
• 残渣の形成をインフレーション後の再加熱またはプレビッグバンのビンタッチに結びつけ、その寿命がハッブル時間を超えることを保証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 蒸発したブラックホールに由来するホワイトホール残渣は、実現可能なダークマター候補として機能できるか？
• RQ2 ホワイトホール残渣の寿命は、特にハッブル時間と比較してどの程度か？
• RQ3 初期宇宙の低エントロピー状態は、特殊な初期ミクロ状態ではなく、特殊なマクロ観測量の選択によって説明できるか？
• RQ4 ホワイトホールの巨大な内部体積が、観測される時間の矢をどのように形作るか？
• RQ5 ホワイトホール残渣の持続性は、特に崩壊に対する安定性という量子重力的制約と整合するか？

主な発見

• 初期質量 m₀ が 10¹⁰ g ≤ m₀ < 10¹⁵ g の範囲にあるホワイトホール残渣は、寿命 τ_WH ∼ m₀⁴ がハッブル時間を超えるため、実現可能なダークマター候補である。
• ブラックホール段階の寿命 τ_BH ∼ m₀³ はハッブル時間未満であり、現在の時代に至るまでに蒸発が完了することが保証される。
• 量子重力におけるトランスプランクスケールのカットオフにより、プランクスケールのホワイトホールは摂動に対して安定であり、ブラックホールへの崩壊を防ぐ。
• 初期宇宙の低エントロピー状態は、自己認識的効果として説明できる：ホワイトホールの外部にいる観測者は、自由度の一部しかアクセスできず、結果として低エントロピーの粗視化が生じる。
• このシナリオは、シュバルツシルト半径が 10⁻¹⁸–10⁻¹³ cm の範囲にあった時期に、原始ブラックホールが形成されたことと整合する。
• ブラックホールからホワイトホールへのトンネル過程は、τ_T ∼ m_Pℓ のスケールで発生し、ブラックホールの終状態進化を記述する量子重力モデルと整合的である。