[논문 리뷰] Detecting Planet 9 via Hawking radiation

Alexandre Arbey, Jérémy Auffinger|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 04.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 46인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 Breakthrough Starshot 방식의 나노우주선 무리로, 만약 그것이 기원 블랙홀(PBH)이라면 그가 방출하는 헤크링 복사에 의해 은하수의 GHz 대역에서 가설적인 행성 9를 탐지하는 방법을 제안한다. 비록 우주 마이크파배경(CMB) 노이즈에 의해 압도당하는 바람에 비행 시 탐지가 불가능할 정도로 신호가 미약할지라도, 이 연구는 더 가벼운 PBH(≤0.01 M⊕)가 CMB보다 강한 헤크링 복사를 방출할 수 있음을 강조하며, 이는 블랙홀 열역학을 직접 검증하기 위한 궤도 미션의 주요 대상이 될 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Concordant evidence points towards the existence of a ninth planet in the Solar System at more than $400\,$AU from the Sun. In particular, trans-Neptunian object orbits are perturbed by the presence of a putative gravitational source. Since this planet has not yet been observationally found with conventional telescope research, it has been argued that it could be a dark compact object, namely a black hole of probably primordial origin. Within this assumption, we discuss the possibility of detecting Planet 9 via a sub-relativistic spacecraft fly-by and the measure of its Hawking radiation in the radio band and conclude that it is too faint compared to the CMB. We thus present other perspectives with rather a satellite mission and conclude that smaller black holes would give much more interesting signals. We emphasize the importance of the study of such Hawking radiation laboratories in the Solar System.

연구 동기 및 목표

• 가설적인 행성 9가 기원 블랙홀(PBH)이라면 그가 방출하는 헤크링 복사를 통해 탐지 가능한지의 가능성을 탐색하는 것.
• 초상대론적 우주선 비행 시, 간행성간 매질 노이즈가 존재하는 상황에서 헤크링 복사의 미약한 무선 신호를 탐지할 수 있는지 평가하는 것.
• 멀리 떨어진 태양계 천체 궤도를 도는 미션의 가능성 평가: 더 가벼운 PBH가 CMB를 초월하는 방출도를 가지며, 헤크링 복사를 탐지할 수 있는지 평가하는 것.
• 헤크링 복사 탐지가 양자중력 이론 예측과 블랙홀 열역학 검증에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 배경 간섭을 최소화하면서 감지 가능한 헤크링 복사의 강도를 극대화하는 PBH의 최적 질량 및 스핀 파rameter를 특정하는 것.

제안 방법

• 질량 5–10 M⊕, 스핀 a* = 0–0.99인 PBH의 헤크링 복사 방출을 모델링하고, 표준 흑체 스펙트럼 공식을 사용해 GHz 대역의 전파 유량을 계산하는 것.
• 비행 시의 신호 대 잡음비를 평가하며, 영향력 파rameter b ~ 100 km에서의 역제곱 법칙을 고려하는 것.
• 특히 더 무거운 PBH의 경우, 간행성간 마이크파배경(CMB)이 주요 노이즈 원천임을 평가하는 것.
• 더 가벼운 PBH(M ≤ 10⁻² M⊕)에서의 헤크링 복사 탐지 가능성 평가: 블랙홀 온도 T ≈ 2.7 K가 CMB 피크와 일치하는 경우.
• 이중목성 천체 궤도를 도는 위성 미션을 제안하여 장기적인 CMB 스크리닝과 통합 탐지가 가능하게 하는 것.
• 수치 시뮬레이션을 통해 다양한 질량과 스핀에서 PBH 방출 스펙트럼을 CMB 스펙트럼과 비교하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 300–1000 AU 거리에 있는 5–10 M⊕ 블랙홀에서 방출되는 헤크링 복사는 초상대론적 우주선 비행을 통해 GHz 대역에서 탐지 가능한가?
• RQ2 간행성간 매질의 노이즈는 비행 중 미세한 중력 편향 측정의 가능성에 어떤 영향을 미치며, 헤크링 복사 탐지로 이 문제를 우회할 수 있는가?
• RQ3 다양한 질량과 스핀을 가진 PBH에서의 헤크링 복사 탐지 임계값은 무엇이며, 특히 CMB와의 비교에서 어떻게 평가되는가?
• RQ4 더 가벼운 PBH(≤0.01 M⊕)는 CMB보다 더 강한 헤크링 복사를 방출할 수 있는가? 이는 직접 탐지 가능성을 높이는가?
• RQ5 가설적인 행성 9의 헤크링 복사를 탐지하기 위해 비행 미션과 궤도 미션 중 어떤 미션 구조가 더 효과적인가?

주요 결과

• CMB 배경 노이즈에 의해 지배되는 바람에, 5–10 M⊕ 행성 9의 헤크링 복사는 고도로 발전된 무선 탐지 장비를 사용하더라도 비행 시 탐지가 불가능할 정도로 미약하다.
• 행성 9의 전파 유량은 영향력 파arameter b의 제곱에 반비례하므로, 탐지 가능성을 확보하기 위해 비행 시 b ≈ 100 km 이내로 접근이 필요하다.
• 질량 ≤10⁻² M⊕인 PBH의 경우, 헤크링 복사 방출도가 약 2.7 K에서 CMB 피크를 초월하여, 탐지에 매우 유망한 후보로 간주된다.
• 고스핀(a* = 0.99)은 중력파 방출을 최대 4개의 자리수까지 증가시킬 수는 있으나, GHz 대역에서의 탐지 가능성은 아직 입증되지 않았다.
• 외행성 천체 궤도를 도는 궤도 미션은 CMB 스크리닝과 장기적 통합 탐지가 가능하게 하여, 더 가벼운 PBH의 탐지 가능성을 크게 향상시킨다.
• 이러한 PBH에서 헤크링 복사 탐지에 실패할 경우, 그 강도에 대한 첫 번째 상한선이 제시되며, 이는 현재 이론 예측에 도전할 수 있다.