[논문 리뷰] Physical black holes in semiclassical gravity

Sebastian Murk, Daniel R. Terno|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 25.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 원거리 관측자에게서 본드가 유한한 시간 내에 형성되는 조건 하에서 양자장 이론의 반고전적 중력에서 물리적 블랙홀의 형성을 조사한다. 이는 그러한 시멘트가 중력 에너지 조건의 위반을 필요로 하며, 형성 이후 응집이 일어나지 않으며, 하킹 유사 복사와 호환되지 않는 표면 중력 정의를 초래함을 보여준다. 이는 관측 가능한 천체 블랙홀이 형성에 충분한 시간이 없거나 양자 중력 효과로 인해 진정한 시멘트를 갖지 못할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We derive and critically examine the consequences that follow from the formation of a regular black or white hole horizon in finite time of a distant observer. In spherical symmetry, only two distinct classes of solutions to the semiclassical Einstein equations are self-consistent. Both are required to describe the formation of physical black holes and violate the null energy condition in the vicinity of the outer apparent horizon. The near-horizon geometry differs considerably from that of classical solutions. If semiclassical physics is valid, accretion into a black hole is no longer possible after the horizon has formed. In addition, the two principal generalizations of surface gravity to dynamical spacetimes are irreconcilable, and neither can describe the emission of nearly-thermal radiation. Comparison of the required energy and timescales with established semiclassical results suggests that if the observed astrophysical black holes indeed have horizons, their formation is associated with new physics.

연구 동기 및 목표

• 원거리 관측자에게서 구형 대칭에서 정규 블랙홀 시멘트가 유한한 시간 내에 형성될 경우의 물리적 및 기하학적 결과를 규명하는 것.
• 반고전 중력이 특이점 없이 또는 새로운 물리학 없이 일관된 블랙홀 형성을 허용하는지 평가하는 것.
• 유한한 시간 내에 시멘트가 형성되는 비정적 시공간에서 표준 표면 중력 정의와 하킹 복사의 타당성을 평가하는 것.
• 관측 가능한 천체 블랙홀이 실제로는 시멘트가 없는 초구형 물체일 수 있는지, 형성에 충분한 시간가 부족하기 때문인지 조사하는 것.

제안 방법

• 유한한 시간 내에 시멘트가 형성된다는 가정 하에 반고전 아인슈타인 방정식의 구형 대칭 해를 유도하고 분류하는 것.
• 실제 블랙홀의 특징으로서의 임시 시멘트를 정의하고, 전역적인 사건 시멘트를 국소적이고 관측 가능한 개념으로 대체하는 것.
• 코다마 벡터와 표면 중력 정의를 사용하여 시멘트 근처 기하학을 분석하고, 페일링 및 코다마 방식을 비교하는 것.
• 외부 임시 시멘트 부근에서 에너지 조건, 특히 영역 에너지 조건(NEC)을 평가하는 것.
• 하킹 복사 및 페이지의 증발 법칙을 포함한 알려진 반고전 결과와 동역학을 비교하는 것.
• 시멘트 형성에 소요되는 시간 척도를 평가하고, 하킹 붕괴 시간과 비교하여 물리적 타당성을 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원거리 관측자에게서 유한한 시간 내에 정규적인 임시 시멘트가 형성될 경우, 구형 대칭에서 기하학적 및 동역학적 결과는 무엇인가?
• RQ2 시멘트 부근에서 영역 에너지 조건(NEC) 위반이 반고전 중력에서 응집과 복사 방출에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 유한한 시간 내에 시멘트가 형성되는 비정적 시공간에서 두 가지 표준 표면 중력 정의가 왜 상호 모순되는가?
• RQ4 이러한 비정적 해에서 표준적인 거의 열적 하킹 복사 예측이 실현 가능한가?
• RQ5 관측 가능한 천체 블랙홀은 실제로 시멘트를 갖는가, 아니면 형성에 충분한 시간가 없어 시멘트가 없는가?

주요 결과

• 원거리 관측자에게서 정규 시멘트가 유한한 시간 내에 형성될 경우, 반고전 아인슈타인 방정식의 구형 대칭 해 중에서 유일한 두 가지 유형의 해만 자율적으로 일관되게 유지된다.
• 물리적 블랙홀 시멘트의 형성은 외부 임시 시멘트 부근에서 영역 에너지 조건(NEC) 위반을 필요로 하며, 이는 이국적 물질 또는 양자 효과를 의미한다.
• 시멘트 형성 이후 반고전 물리학에서는 더 이상 블랙홀 내부로의 응집이 불가능하며, 이는 증발 또는 화이트홀 유사 팽창을 의미한다.
• 코다마 표면 중력은 시멘트 형성 순간에 0이 되며, 반고전 결과에서 예상되는 표준 값 1/(4M)과 모순된다.
• 두 주요 표면 중력 정의 — 페일링 및 코다마 — 는 비정적 시공간에서 상호 조율될 수 없으며, 이는 하킹 복사 유도 과정을 뒷받침하지 못한다.
• 시멘트 형성에 소요되는 시간 척도는 매크로스코픽 블랙홀의 하킹 붕괴 시간과 유사하며, 이는 관측 가능한 천체 블랙홀이 아직 시멘트를 형성하지 못했을 가능성을 시사한다.