[논문 리뷰] Black holes embedded in FLRW cosmologies

Rudeep Gaur, Matt Visser|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 14.

Astrophysical Phenomena and ObservationsPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 블랙홀이 수축이나 융합 외부에서 우주적 팽창과 직접적으로 연결되어 성장한다는 주장에 대해 비판적으로 분석한다. 정확한 해인 Kottler, McVittie, 그리고 Kerr–de Sitter를 분석함으로써 이러한 해들이 팽창으로 인한 질량 증가를 보이지 않음을 입증함으로써, 제안된 메커니즘의 타당성을 떨어뜨리고 블랙홀 물리학과 우주론적 물리학 사이의 근본적인 척도 분리 현상을 부각시킨다.

ABSTRACT

There has recently been some considerable interest expressed in a highly speculative model of black hole evolution -- allegedly by a postulated direct coupling between black holes and cosmological expansion independently of accretion or mergers. We wish to make several cautionary comments in this regard -- at least three exact solutions corresponding to black holes embedded in a FLRW background are known, (Kottler, McVittie, Kerr-de Sitter), and they show no hint of this claimed effect -- thereby implying that this claimed effect (if it exists at all) is certainly nowhere near ubiquitous.

연구 동기 및 목표

• 블랙홀 질량이 수축이나 융합 외부에서 우주 팽창과 직접적으로 연결되어 증가한다는 주장의 물리적 타당성을 평가하기 위해.
• 특히 Kottler, McVittie, 그리고 Kerr–de Sitter와 같은 일반 상대성 이론의 알려진 정확한 해가 그러한 질량 증가 효과를 보이는지 조사하기 위해.
• 은하 블랙홀 물리학(밀리파세크 척도)과 우주론적 역학(기가파세크 척도) 사이의 극도로 큰 척도 분리가 이러한 직접적 연결의 비현실성을 어떻게 강조하는지 부각하기 위해.
• 특히 블랙홀 기체가 어둠센 에너지를 모방한다는 잘못된 가정을 포함한 주장의 이론적 프레임워크를 비판하기 위해.
• 관측된 블랙홀 진화는 수축과 융합과 같은 표준 과정으로 가장 잘 설명되며, 새로운 팽창과의 결합은 필요하지 않다는 결론을 강화하기 위해.

제안 방법

• Schwarzschild–de Sitter (Kottler), Schwarzschild–FLRW (McVittie), 그리고 Kerr–de Sitter의 세 정확한 해 분석 — 모두 블랙홀을 팽창하는 FLRW 배경에 통합한 것이다.
• 좌표 변환을 사용하여 이러한 해의 점점 커지는 $r$ 근처 행동을 분석함으로써, 블랙홀 질량이 우주 팽창 파라미터 $H$와 연결되어 있는지 평가하기 위해.
• Kerr–de Sitter 시공간의 계량 팽창을 유도하여 질량 파arameter $m$과 우주 상수 $H$가 서로 독립된 상수로 유지되며, 대칭 항이 없음을 보여주었다.
• 블랙홀 물리학($r \lesssim 10^{-3}$ 파세크)과 우주론적 균일성 척도($\gtrsim 10^8$ 파세크) 사이의 척도 분리를 평가하며, 자연스러운 전이 척도 $r_* = \sqrt[3]{m / \rho_{\text{FLRW}}}$ 를 도입하였다.
• 참고문헌 [1]의 이론적 프레임워크를 기존의 일반 상대성 이론 해와 비교하여, 블랙홀 질량 분율이 어둠센 에너지와 동일한 압력을 생성한다는 잘못된 가정과 같은 모순점을 밝혀내었다.
• [8] 및 기타 연구에서의 관측 제약 조건을 사용하여 주장된 효과를 제약하였으며, 이는 약 $\sim 3\sigma$에서 배제되었고, 약 $\sim 1\sigma$에서 영 효과와 일치함을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Kottler, McVittie, 그리고 Kerr–de Sitter와 같이 FLRW 우주론에 블랙홀을 통합한 일반 상대성 이론의 정확한 해들이 블랙홀 질량과 우주 팽창 사이에 직접적인 결합을 보이는가?
• RQ2 수축이나 융합 외부에서 우주 팽창으로 인해 블랙홀 질량이 증가한다는 주장은 일반 상대성 이론의 알려진 정확한 해에 의해 물리적으로 지지되는가?
• RQ3 은하 블랙홀 물리학(밀리파세크 척도)과 우주론적 역학(기가파세크 척도) 사이의 척도 분리는 이러한 결합의 타당성 평가에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 참고문헌 [1]에서 제안한 이론적 프레임워크 — 블랙홀 기체가 어둠센 에너지를 모방한다는 것 — 는 알려진 정확한 해의 맥락에서 검증을 견뎌내는가?
• RQ5 적색이동 $z \leq 7$ 시점에서 관측된 블랙홀의 우주 에너지 밀도 기여는 직접적인 팽창과의 연결으로 설명될 수 있는가, 아니면 표준 천체물리 과정이 더 잘 설명하는가?

주요 결과

• 정확한 해인 Kottler (Schwarzschild–de Sitter), McVittie (Schwarzschild–FLRW), 그리고 Kerr–de Sitter는 모두 우주 팽창으로 인한 블랙홀 질량 증가에 대한 증거를 보이지 않는다.
• Kerr–de Sitter 해에서 질량 파arameter $m$과 허블 파라미터 $H$는 서로 독립된 상수로 유지되며, 큰 $r$에서 메트릭 팽창에 교차 항 결합이 나타나지 않는다.
• 이 정확한 해의 점점 커지는 행동은 블랙홀 시공간이 큰 거리에서 de Sitter 공간로 수렴함을 확인하며, 우주 상수나 팽창률에 의해 블랙홀 질량가 수정되지 않음을 보여준다.
• 자연스러운 척도 $r_* = \sqrt[3]{m / \rho_{\text{FLRW}}}$ 는 블랙홀 물리학이 支배하는 영역과 우주 팽창이 支배하는 영역를 분리하며, 직접적 연결의 물리적 비현실성을 강화한다.
• 참고문헌 [8]의 관측 제약 조건은 주장된 효과를 약 $\sim 3\sigma$에서 배제하였으며, 약 $\sim 1\sigma$에서 영 효과와 일치함을 확인하여 제안된 메커니즘의 타당성을 더욱 약화시켰다.
• 참고문헌 [1]에서 제안한 이론적 프레임워크 — 블랙홀 질량 분율이 어둠센 에너지와 동일한 압력을 생성한다는 것 — 는 블랙홀 기체가 먼지처럼 행동할 뿐 어둠센 에너지처럼 행동하지 않음을 보여, 잘못된 것으로 드러났다.