[논문 리뷰] Fundamental Aspects of the Expansion of the Universe and Cosmic Horizons

T. M. Davis|arXiv (Cornell University)|2004. 02. 12.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 13인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 일반 상대성 이론을 우주의 팽창에 적용하여 천체물리학에서의 근본적인 오해를 명확히 하고, 우주적 수평선과 허블 영역에서의 갈등을 해결한다. 상대성 이론을 위반하지 않으면서 초광속으로 멀어지는 속도가 가능하다는 것을 보이며, 공전하지 않는 물체가 멀어지더라도 청색 시프트를 나타낼 수 있음을 보여주며, 다양한 천체모형에서 열역학의 일반화된 제2법칙이 유지됨을 확인한다. 이는 일부 경우에 나타나는 엔트로피 감소가 완전한 블랙홀 임베딩 해법을 통해 해소될 수 있음을 암시한다.

ABSTRACT

In the context of the new standard LambdaCDM cosmology we resolve conflicts in the literature regarding fundamental aspects of the expansion of the universe and cosmic horizons and we link these concepts to observational tests. We derive the dynamics of a non-comoving galaxy and use this to demonstrate the counter-intuitive result that objects at constant proper distance can have a non-zero redshift. Receding galaxies can be blueshifted and approaching galaxies can be redshifted, even in an empty universe for which one might expect special relativity to apply. We then test the generalized second law of thermodynamics (GSL) and its extension to incorporate cosmological event horizons. In spite of the fact that cosmological horizons do not generally have well-defined thermal properties, we find that the GSL is satisfied for a wide range of models. We explore in particular the relative entropic 'worth' of black hole versus cosmological horizon area. An intriguing set of models show an apparent entropy decrease but we anticipate this apparent violation of the GSL will disappear when solutions are available for black holes embedded in arbitrary backgrounds. Recent evidence suggests a small increase in the fine structure constant (alpha =e^2/hbar c) over cosmological time scales. This raises the question of which fundamental quantities are truly constant and which might vary. We show that black hole thermodynamics may provide a means to discriminate between alternative theories invoking varying constants, because some variations in the fundamental 'constants' could lead to a violation of the generalized second law of thermodynamics.

연구 동기 및 목표

• 표준 천체모형에서의 우주의 팽창, 수평선, 이동 속도에 대한 널리 퍼진 오해를 해결하기 위해.
• 프리드만-로버트슨-워커 (FRW) 시공간에서 초광속 이동과 허블 영역의 물리적 의미를 명확히 하기 위해.
• 비공동운동 시스템(특히 터널링된 은하 문제)의 거동를 조사하고, 특성 속도가 0임에도 불구하고 적색이동이 0이 아니라는 것을 보여주기 위해.
• 사건 수평선이 있는 천체모형에서 열역학의 일반화된 제2법칙(GSL)을 시험하고, 특히 블랙홀과 천체모형 수평선의 엔트로피를 다루기 위해.
• 변화하는 기본 상수(예: 구조 상수 α) 이론을 구분하는 데 블랙홀 열역학이 어떻게 기여할 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 표준 일반 상대성 이론과 FRW 계량을 사용하여 우주의 팽창을 모델링하고 비공동운동 은하의 역학을 유도한다.
• 특수 상대성 이론과의 비교를 위해 빈 우주 근처에서 상대론적 도플러 시프트와 천체모형 적색이동 수식을 적용한다.
• 다양한 ΩM, ΩΛ 모델에서 입자 수평선, 사건 수평선, 인과적 구조를 시각화하기 위해 시공간도를 구성한다.
• 특성 속도 감쇠의 시간 진화를 유도하고, 진동수 거리가 일정할 때조차도 비영임을 보여준다.
• Bekenstein-Hawking 면적 법칙을 사용하여 수평선 엔트로피를 평가하고, 먼지, 복사, 블랙홀 등이 천체모형 사건 수평선을 가로질러 갈 때 GSL을 시험한다.
• 비-디 시터 FRW 모델에 대한 수치적 확장을 수행하고, 겹치거나 초수평선 크기의 블랙홀에 대해 난이도 있는 면적 계산을 수정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 은하가 빛보다 더 빠르게 멀어지더라도 상대성 이론을 위반하지 않으며, 이는 허블 영역과 어떻게 관련이 있는가?
• RQ2 고정된 실제 거리에 있는 은하가 비영적 적색이동을 보일 수 있는 이유는 무엇이며, 이는 속도 정의에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 팽창하는 우주에서 멀어지는 은하가 청색이동을 보일 수 있으며, 다가오는 은하가 적색이동을 보일 수 있는가?
• RQ4 사건 수평선이 있는 천체모형에서 열역학의 일반화된 제2법칙이 유지되는가? 특히 물질이나 블랙홀이 수평선을 가로질러 갈 때 어떻게 되는가?
• RQ5 블랙홀 열역학은 변화하는 기본 상수(예: α) 이론을 구분하는 데 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 지표 계량 팽창 덕분에 일반 상대성 이론에서는 빛보다 더 빠르게 멀어지는 속도가 물리적으로 허용된다. 이는 공간을 떠도는 운동이 아니라, 공간 자체의 팽창 때문이다.
• 고정된 실제 거리에 있는 은하조차도 스케일 인자 시간 진화로 인해 적색이동을 보이며, 특성 속도가 없더라도 그렇다.
• FRW 시공간에서는 멀어지는 은하가 청색이동을 보일 수 있고, 다가오는 은하가 적색이동을 보일 수 있다. 이는 직관에 어긋나지만, 계량 팽창과 빛의 전파 간의 상호작용으로 설명된다.
• 사건 수평선이 있는 다양한 천체모형에서 열역학의 일반화된 제2법칙이 만족됨을 확인했으며, 일부 구성에서 엔트로피 감소가 나타나도 그렇다.
• 큰 크기이거나 겹치는 블랙홀의 경우, 수평선 면적 계산에 대한 수치적 보정이 정확한 엔트로피 평가에 필수적이다.
• 블랙홀 열역학은 변화하는 상수 이론을 식별하는 데 기여할 수 있으며, 일부 변화는 일반화된 제2법칙을 위반할 수 있다.