[논문 리뷰] Astrophysical black holes may radiate, but they do not evaporate

George Ellis|arXiv (Cornell University)|2013. 10. 17.

Black Holes and Theoretical Physics참고 문헌 41인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 천체물리적 블랙홀이 허킹 복사에 의해 완전히 증발하지 않는다고 주장한다. 그 이유는 시간적 경계로 된 외부로 구불거리는 표면(EMOTS) 근처에서 국소적인 복사가 발생하기 때문이며, 대부분의 복사가 무한원에 도달하지 못하고 시공간적 특이점으로 빠지기 때문이다. 그 결과 잔류 질량과 엔트로피가 남아 남아 정보 역학 역설을 사건의 지평선 뒤에 정보 손실이 발생한다는 것으로 해결한다.

ABSTRACT

This paper argues that the effect of Hawking radiation on an astrophysical black hole situated in a realistic cosmological context is not total evaporation of the black hole; rather there will always be a remnant mass. The key point is that the locus of emission of Hawking radiation is not the globally defined event horizon. Rather the emission domain lies just outside a timelike Marginal Outer Trapped Surface that is locally defined. The emission domain is mainly located inside the event horizon. A spacelike singularity forms behind the event horizon, and most of the Hawking radiation ends up at this singularity rather than at infinity. Whether any Hawking radiation reaches infinity depends on the relation between the emission domain and the event horizon. From the outside view, even if radiation is seen as always being emitted, the black hole never evaporates away, rather its mass and entropy asymptote to finite non-zero limits, and the event horizon always acts as a sink for matter and information. From an inside view, the matter and information disappear into the singularity, which is the boundary of spacetime. The argument is based on the nature of the processes at work plus a careful delineation of the relevant causal domains; in order to confirm this model and determine details of the outcome, detailed calculations of the expectation value of the stress-energy-momentum tensor are needed to determine back reaction effects.

연구 동기 및 목표

• 천체물리적 블랙홀이 허킹 복사에 의해 완전히 증발한다는 일반적인 견해에 도전하기 위해.
• 정보 손실이 무한원이 아니라 시공간적 특이점에서 발생함을 보여줌으로써 블랙홀 정보 역학 역설을 해결하기 위해.
• 사건의 지평선이 허킹 복사의 방출 부위가 아니며, 복사가 흡수되는 인과적 경계임을 입증하기 위해.
• 블랙홀에 대한 새로운 열역학 제3법칙을 제안하기 위해, 즉 엔트로피가 복사 과정을 통해 영으로 내려갈 수 없다는 것.
• 블랙홀의 최종 상태가 완전한 증발이 아니라 비제로 질량과 비제로 엔트로피를 가진 안정된 잔류체임을 주장하기 위해.

제안 방법

• 구형 대칭에서 시공간의 인과적 구조를 분석하여, 방출 영역이 사건의 지평선과 포착 표면에 비해 어디에 위치하는지에 중점을 둔다.
• 허킹 복사의 방출이 전역적으로 정의된 사건의 지평선이 아니라 국소적으로 정의된 시간적 EMOTS(경계로 외부로 구불거리는 표면)에서 유래된다고 확인한다.
• 파르히크-윌츠체크 입자 방출 모델을 사용하여 복사를 국소적 과정으로 기술하며, 에너지 손실은 EMOTS에서 발생하지만 사건의 지평선에서 발생하지는 않는다.
• EMOTS와 OMOTS(가장 바깥쪽 경계로 외부로 구불거리는 표면)에 대한 반작용 효과를 고려하여 최종 질량과 사건의 지평선 위치를 결정한다.
• 복사 반작용을 모델링하기 위해 스트레스-에너지-운동량 텐서의 기대값을 적용하지만, 전체 계산은 아직 수행되지 않았다.
• 두 가지 시나리오를 비교한다: '밝음'(복사가 무한원으로 도달함)과 '어둠짐'(복사가 특이점으로 빠짐), 시공간 기하학상 어둠짐이 더 타당하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 허킹 복사는 사건의 지평선에서 발생하는가, 아니면 국소적으로 정의된 포착 표면에서 발생하는가?
• RQ2 허킹 복사는 무한원으로 도달할 수 있는가, 아니면 주로 시공간적 특이점으로 빠지는가?
• RQ3 복사 방출 후 블랙홀의 최종 잔류 질량은 무엇에 의해 결정되는가?
• RQ4 시공간적 특이점의 존재는 블랙홀 증발 과정에서 정보와 에너지 균형에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ5 블랙홀의 최종 상태는 안정된 잔류체인가, 아니면 완전한 증발이 이루어지는가?

주요 결과

• 허킹 복사는 전역적으로 정의된 사건의 지평선이 아니라 국소적으로 정의된 시간적 EMOTS에서 방출되며, 포착 표면 바로 외부에서 발생한다.
• 시공간 곡률과 CMB 집중 효과로 인해 대부분의 허킹 복사는 무한원으로 도달하기보다는 미래의 시공간적 특이점으로 향한다.
• 최종 잔류 질량은 $ m_{\text{final}} = m_0 - \Delta m_{\text{emit}} $ 로 주어지며, 여기서 $ \Delta m_{\text{emit}} \geq 0 $ 이고 $ m_{\text{final}} > 0 $ 이므로 비제로 질량이 남아 있음을 의미한다.
• 최종 상태는 사건의 지평선에 둘러싸인 시공간적 특이점으로 구성되며, 블랙홀은 완전히 증발하지 않는다.
• 정보 손실 역설은 특이점에서 정보가 손실되기 때문에 해결되며, 이는 외부 우주와 인과적으로 분리되어 있기 때문이다.
• 새로운 열역학 제3법칙이 암시된다: 복사 과정을 통해 블랙홀의 엔트로피를 영으로 내릴 수 없으며, 항상 유한한 잔류체가 남아 있기 때문이다.