[논문 리뷰] Primordial Universe Inside the Black Hole and Inflation

Hassan Firouzjahi|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 12.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 7인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 기원의 우주가 기원적 블랙홀 내부에서 시작되었으며, 블랙홀의 내부가 디 de Sitter (dS) 시공간으로 기술된다고 제안한다. 인플레이션은 블랙홀의 사건의 지평선에서 발생하는 양자 양상에 의해 자연스럽게 발생하며, 호킹 복사는 인플레이션을 종료하고 재가열을 유도함으로써 뜨거운 빅뱅을 유도한다. 이 모델은 스케일 불변에 가까운 스칼라 및 텐서 편열을 예측하며, 텐서 대 스칼라 비율은 약 10⁻³이며, 인플레이션 장(field)을 도입하지 않고도 인플레이션을 설명하는 메커니즘을 제공한다.

ABSTRACT

We speculate that the early Universe was inside a primordial black hole. The interior of the the black hole is a dS background and the two spacetimes are separated on the surface of black hole's event horizon. We argue that this picture provides a natural realization of inflation without invoking the inflaton field. The black hole evaporation by Hawking radiation provides a natural mechanism for terminating inflation so reheating and the hot big bang cosmology starts from the evaporation of black hole to relativistic particles. The quantum gravitational fluctuations at the boundary of black hole generate the nearly scale invariant scalar and tensor perturbations with the ratio of tensor to scalar power spectra at the order of $10^{-3}$. As the black hole evaporates, the radius of its event horizon shrinks and the Hubble expansion rate during inflation increases slowly so the quantum Hawking radiation provides a novel mechanism for the violation of null energy condition in cosmology.

연구 동기 및 목표

• 기본적인 인플레이션 모델에 대한 대안으로 초기 우주가 기원적 블랙홀 내부에서 기원했을 수 있는지를 탐색한다.
• 인플레이션 장 기반의 인플레이션의 개념적 한계, 예를 들어 인플레이션 장의 성격과 초기 특이점 문제를 다룬다.
• 특히 호킹 복사를 통해 블랙홀 물리학을 활용하여 기본 스칼라 장을 도입하지 않고도 인플레이션과 재가열을 설명하는 메커니즘을 제공한다.
• 관측 가능한 기원적 편열—스칼라 및 텐서—을 생성하고, 그 에너지 스펙트럼이 CMB 관측과 일치하도록 한다.
• 다중 블랙홀 우주를 통해 우주론적 상수 문제와 멀티버스에 대한 영향을 탐색한다.

제안 방법

• 논문은 기원적 블랙홀의 내부를 디 de Sitter (dS) 시공간으로 모델링하며, 사건의 지평선이 천체적 지평선으로 작용한다.
• 사건의 지평선에서 dS 내부를 외부 슈바르츠실트 기하학과 매칭하며, 지평선 반경이 허블 반경과 같다고 가정한다(r₀ = 2GM = H⁻¹).
• 지평선에서의 양자 중력 양상은 거의 스케일 불변인 스칼라 및 텐서 편열을 생성하며, dS 진공에서 유도된 에너지 스펙트럼을 갖는다.
• 블랙홀에서의 호킹 복사는 인플레이션의 자연스러운 종료 메커니즘을 제공하며, 재가열과 함께 뜨거운 빅뱅의 시작을 이끈다.
• 모델은 지평선을 가로질러 외부 곡률을 매칭하여 일관성을 평가하지만, 지평선에서 Kᵗᵗ 성분에 발산이 발생함을 확인하며, 이는 양자 보정 또는 표면 에너지 밀도가 필요함을 시사한다.
• 증발 과정 동안 지평선 반경의 시간적 진화는 점진적으로 증가하는 허블 속도를 유도하며, 이는 동적으로 널 에너지 조건을 위반한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기원적 블랙홀 내부의 물리학을 활용하여 인플레이션 장을 도입하지 않고도 인플레이션을 실현할 수 있는가?
• RQ2 블랙홀 우주론 프레임워크 내에서 인플레이션 종료와 재가열을 자연스럽게 설명할 수 있는가?
• RQ3 이 모델에서 거의 스케일 불변인 기원적 편열의 기원은 무엇이며, 그 텐서 대 스칼라 비율은 얼마인가?
• RQ4 블랙홀의 증발이 허블 팽창 속도에 미치는 영향은 무엇이며, 이는 널 에너지 조건 위반으로 이어질 수 있는가?
• RQ5 이러한 모델이 빅뱅 특이점을 블랙홀 지평선으로 대체함으로써 초기 특이점 문제를 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 지평선에서의 양자 양상으로 인해 거의 스케일 불변인 스칼라 및 텐서 편열이 생성되며, 이는 CMB 관측과 일치한다.
• 텐서 대 스칼라 비율은 약 10⁻³로 예측되며, 플랑크 및 리고(LIGO)의 현재 관측 제약과 일치한다.
• 기원적 블랙홀에서의 호킹 복사는 인플레이션 종료와 재가열을 자연스럽게 유도하는 메커니즘을 제공하며, 이는 뜨거운 빅뱅으로 이어진다.
• 블랙홀의 증발이 진행됨에 따라 사건의 지평선이 수축하면서 허블 팽창 속도가 점진적으로 증가하며, 이는 동적으로 널 에너지 조건을 위반한다.
• r₀ = 2GM = H⁻¹ 조건에서 dS 내부와 블랙홀 외부를 매칭함으로써 Kᵗᵗ 성분에 발산이 발생하며, 이는 양자 보정 또는 표면 에너지 밀도가 필요함을 시사하는 잠재적 일관성 문제를 나타낸다.
• 여러 기원적 블랙홀이 존재할 경우 각각이 별개의 우주를 수용할 수 있으므로 멀티버스가 존재할 가능성을 시사하며, 이는 우주론적 상수 문제의 해결 가능성을 암시한다.