[논문 리뷰] Neutrino-induced Collapse of Bare Strange Stars Via TeV-scale Black Hole Seeding

P. W. Gorham, J. G. Learned외 1명|arXiv (Cornell University)|2002. 05. 13.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 3인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 초고에너지 중성자가 노출된 이상한 별 내에서 TeV 스케일 블랙홀을 씨앗으로 삼을 경우, 블랙홀의 수축이 허공복사보다 더 빠르게 질량을 증가시킬 수 있다면 치명적인 붕괴가 발생할 수 있다고 제안한다. 연구는 관측된 이상한 별 후보자들의 장수 수명이 최대 2개의 추가 차원까지 약 2 TeV 이하의 플랑크 스케일을 배제함으로써, 저스케일 중력 모델을 제약한다.

ABSTRACT

There is increasing observational evidence for the existence of strange stars: ultra-compact objects whose interior consists entirely of deconfined quark matter. If confirmed, their existence places constraints on the rate of formation of microscopic black holes in models which invoke a TeV-scale Planck mass. In such models, black holes can form with ~TeV masses through nuclear interactions of particles with PeV and greater energies. Once formed, these black hole states are unstable to Hawking radiation, and rapidly decay. However, if such a black hole forms in the interior of a strange star, the density is high enough that the decay may be counterbalanced by accretion, and the black hole can grow, leading to subsequent catastropic collapse of the star. A guaranteed source of ultra-high energy particles is provided by the cosmogenic Greisen neutrinos, as well as by ultra-high energy cosmic rays, and the implied lifetimes for strange stars are extremely short, contrary to observations. The observed lifetimes of strange star candidates thus effectively exclude Planck mass scales of less than ~2 TeV with comparable black hole masses, for up to 2 extra dimensions. Seeding of strange star collapse in scenarios with a larger number of extra-dimensions or with higher mass black holes remains a possibility, and may provide another channel for the origin of gamma-ray bursts.

연구 동기 및 목표

• 초고에너지 중성자가 이상한 별 내에서 TeV 스케일 블랙홀을 씨앗으로 삼아 붕괴를 유도할 수 있는지 조사하기.
• 관측된 이상한 별 후보자들의 안정성에 기반해 저스케일 중력 모델(즉, TeV 스케일 플랑크 질량)의 타당성을 평가하기.
• 관측된 이상한 별 수명을 이용해 기본 플랑크 스케일과 추가 차원의 수에 대한 천체물리적 제약을 도출하기.
• 이상한 별 내 블랙홀 씨앗화가 감마선 폭발의 기원을 설명할 수 있는지 평가하기.
• 밀도 높은 항성 환경에서 블랙홀의 급속한 성장을 유도하기 위한 최소 중성자 에너지를 결정하기.

제안 방법

• 이상한 별 내 초고에너지 중성자와 핵자 간의 고에너지 충돌을 통해 블랙홀 형성을 모델링하며, 스워츠실트 반지름의 제곱에 비례하는 기하학적 단면적을 사용한다.
• 밀도 높은 쿼크 물질 환경에서의 블랙홀 증발 시간스케일을 추정하기 위해 허공복사 붕괴율을 적용한다.
• 블랙홀 성장 조건을 에너지 균형에 기반해 도출한다. 이는 블랙홀 온도와 항성 배경 온도 간의 균형 조건이다.
• 추가 차원과 항성 온도에 따라 의존하는 비율의 임계 중성자 에너지 임계값(식 5)을 유도한다.
• 기대되는 GZK 중성자 플럭스(최대 10^20.5 eV)를 사용해 임계 조건을 반전시켜 이상한 별의 잠재적 수명을 추정한다.
• 예측된 붕괴 시간과 관측된 이상한 별 후보자들의 수명(≥10^6 년)을 비교하여 기본 플랑크 스케일을 제약한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초고에너지 중성자가 이상한 별 내에서 TeV 스케일 블랙홀을 형성할 경우, 허공복사보다 빠른 질량 증가로 인해 붕괴가 발생할 수 있는가?
• RQ2 주어진 내부 온도를 가진 이상한 별에서 블랙홀의 급속한 성장을 유도하기 위한 최소 중성자 에너지는 얼마인가?
• RQ3 관측된 이상한 별 후보자들의 장수 수명은 추가 차원이 있는 모델에서 기본 플랑크 스케일에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ4 이상한 별 내 블랙홀 씨앗화가 관측된 감마선 폭발의 빈도를 어느 정도 설명할 수 있는가?
• RQ5 GZK 중성자 플럭스는 이상한 별의 안정성과 저스케일 중력 모델의 타당성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• n ≤ 2개의 추가 차원과 1 TeV 플랑크 스케일 조건에서, 블랙홀 급속 성장을 유도하기 위한 최소 중성자 에너지는 n=1일 때 2.5×10^16 eV에서 n=4일 때 4×10^25 eV로 다양하다. GZK 중성자 플럭스는 n≤2 영역을 탐색한다.
• 블랙홀 씨앗화로 인한 이상한 별의 잠재적 수명은 몇 년 이내로 추정되며, 이는 최소 몇 백만 년 이상의 관측 수명과 모순된다.
• 이 불일치는 관측된 이상한 별 후보자들의 안정성에 기반해 최대 2개의 추가 차원까지 약 2 TeV 이하의 기본 플랑크 스케일을 배제한다.
• 이 제약는 블랙홀 질량의 변화(약 80 TeV 이내)에 대해 강건하며, 칼루차-클라인 중력보 방출 또는 붕괴 과정과 무관하다.
• 더 많은 추가 차원 또는 더 높은 블랙홀 질량일 경우, 블랙홀 씨앗화는 여전히 타당한 메커니즘이며 감마선 폭발의 기원을 설명할 수 있다.
• n=2일 경우 약 2 TeV의 플랑크 스케일에 하한선을 설정하며, 가정된 중성자 플럭스와 항성 온도에 따라 n=1일 경우 더 높은 하한선이 가능하다.