[논문 리뷰] Do Black Holes Exist?

Valeri P. Frolov|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 25.

Black Holes and Theoretical Physics참고 문헌 17인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 사건의 지평선으로 정의되는 수학적 블랙홀과 현상적 블랙홀(임의의 지평선으로 정의됨)을 대조하여 블랙홀 존재성을 조사한다. 비특이성 블랙홀 모델을 제안하며, 닫힌 임의의 지평선을 통해 특이성을 피하고 정보 복원이 가능하도록 한다. 이 모델은 질량이 플랑크 질량보다 훨씬 큰 천체 블랙홀에서는 양자 반작용이 무시할 만큼 작으며, 플랑크 척도의 변동성으로 인해 사건의 지평선과 관측적으로 구별되지 않는다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

We discuss and compare definitions of a black hole based on the existence of event and apparent horizons. In this connection we present a non-singular model of a black hole with a closed apparent horizon and discuss its properties. We propose a massive thin shell model for consistent description of particles creation in black holes. Using this model we demonstrate that for black holes with mass much larger than the Planckian one the backreaction of the domain, where the particles are created, on the black hole parameters is negligibly small.

연구 동기 및 목표

• 사건 지평선으로 정의되는 수학적 블랙홀과 임의의 지평선으로 정의되는 물리적 블랙홀 간의 차이를 명확히 하며, 블랙홀 비존재론에 대한 상충되는 주장들에 비추어 이를 다룬다.
• 비특이성 블랙홀 모델을 제안함으로써 정보 손실 역설을 해결하고, 닫힌 임의의 지평선을 통해 유니터리 진화와 정보 복원이 가능하도록 한다.
• 양자 효과가 별의 붕괴 과정에서 블랙홀 형성을 방해한다는 주장에 도전하며, 이러한 결론들이 양자 반작용 모델링 오류에 기반한다는 점을 주장한다.
• 천체 블랙홀의 질량이 플랑크 질량보다 훨씬 클 경우, 입자 생성 및 반작용과 같은 양자 효과가 무시할 수 있을 정도로 작으며, 고전적 블랙홀 행동이 유지된다는 것을 보여준다.

제안 방법

• 입자 생성을 기술하기 위해 질량이 큰 얇은 껍질 모델을 사용하여 시공간 기하학에 대한 양자 반작용 분석을 일관되게 수행한다.
• 내부 지평선 근처의 시공간을 정규화하기 위해 한계 곡률 원칙을 적용하여 특이성을 피하고 고곡률 영역이 양자 중력의 범위 내에 유지되도록 보장한다.
• 닫힌 임의의 지평선을 가진 비특이성 블랙홀 모델을 정의하며, 붕괴하는 물질과 음의 에너지 복사가 모두 내부 지평선 근처에 압축됨을 나타낸다.
• 양자 증발로 인한 사건 지평선과 임의의 지평선 사이의 반경 차이를 분석하고, |r_EH − r_AH| ∼ l_Pl² / r_AH 를 추정한다.
• 내부 지평선 근처의 청색 시프트 빛과 초플랑크 에너지 효과의 역할을 평가하며, 입자 상호작용과 계량 편차가 지평선을 흐리게 만들 수 있음을 제안한다.
• 잔류체 방출을 통한 정보 복원의 시간 척도를 평가하며, 완전한 증발에 대해 t ∼ t_Pl (M/m_Planck)^4 를 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스pacetime 특이성이 없으면서도 사건 지평선과 임의의 지평선과 같은 주요 천체물리적 성질을 유지할 수 있는 블랙홀 모델이 존재할 수 있는가?
• RQ2 특히 양자 중력과 정보 보존의 맥락에서, 임의의 지평선의 물리적 의미는 사건 지평선과 어떻게 다를까?
• RQ3 플랑크 질량보다 훨씬 큰 천체 블랙홀의 경우, 입자 생성과 같은 양자 효과가 블랙홀 기하학에 미치는 반작용은 얼마나 중요한가?
• RQ4 왜 양자 효과가 별의 붕괴 과정에서 블랙홀 형성을 방해한다는 주장들이 잘못된 것으로 간주되어야 하는가? 이러한 주장의 기초가 되는 모델의 결함은 무엇인가?
• RQ5 블랙홀 붕괴 과정에서 잃어버린 정보는 회복될 수 있는가? 이러한 과정에 관여하는 시간 척도와 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 모델은 닫힌 임의의 지평선을 가진 비특이성 블랙홀을 제안하며, 붕괴하는 물질과 양자 복사가 모두 내부 지평선 근처에 압축되어 특이성을 피한다.
• 플랑크 질량보다 훨씬 큰 블랙홀의 경우, 블랙홀 매개변수에 대한 양자 반작용은 거의 영향을 미치지 않으며, 고전적 기술이 타당하다는 것을 확인한다.
• 사건 지평선과 임의의 지평선 사이의 반경 거리는 |r_EH − r_AH| ∼ l_Pl² / r_AH 로 추정되며, 천체 블랙홀의 경우 플랑크 길이보다 작다.
• 임의의 지평선은 천체 블랙홀의 물리적 관측 가능한 경계이며, 사건 지평선은 그 성질상 원인의 지평선이므로 측정이 불가능하기 때문이다.
• 완전한 증발 이후 정보는 복원될 수 있으며, 잔류체가 약 ∼(M/m_Planck)^2 개의 양자(에너지 ∼m_Planck³ / M²)를 방출할 경우에 한해 가능하다. 다만 이 과정은 약 ∼t_Pl (M/m_Planck)^4 의 시간이 소요될 수 있다.
• 내부 지평선 근처의 초플랑크 에너지 효과와 계량 편차는 내부 지평선이 흐릿하게 퍼져 있을 가능성이 있으며, 입자 상호작용이 발생할 수 있음을 시사하며, 핵심부에서는 강한 양자 중력 효과가 작용할 것임을 나타낸다.