[논문 리뷰] White-hole dark matter and the origin of past low-entropy

Carlo Rovelli, Francesca Vidotto|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 11.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 29인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 증발한 블랙홀에서 생긴 안정적인 플랑크 규모의 화이트홀 잔여물이 암흑물질을 구성할 수 있으며, 초기 우주의 낮은 엔트로피 기원 문제를 해결할 수 있다고 제안한다. 양자중력 모델을 통해 블랙홀에서 화이트홀으로의 터널링을 고려함으로써, 저자들은 이러한 잔여물이 우주론적 엔트로피와 시간의 화살표를 설명하는 데 자연스럽게 기여하며, 이는 화이트홀의 큰 내부 부피에 접근할 수 있는 정보의 제한성에 기인한 관점적 엔트로피 해석에 기반한다.

ABSTRACT

Recent results on the end of black hole evaporation give new weight to the hypothesis that a component of dark matter could be formed by remnants of evaporated black holes: stable Planck-size white holes with a large interior. The expected lifetime of these objects is consistent with their production at reheating. But remnants could also be pre-big bang relics in a bounce cosmology, and this possibility has strong implications on the issue of the source of past low entropy: it could realise a perspectival interpretation of past low entropy. The ideas briefly presented in this essay are developed in forthcoming papers.

연구 동기 및 목표

• 증발한 블랙홀에서 생긴 화이트홀 잔여물이 암흑물질을 설명할 수 있는가를 탐구한다.
• 초기 우주의 낮은 엔트로피 상태 문제와 시간의 화살표 기원이라는 해결되지 않은 문제를 다룬다.
• 낮은 엔트로피가 본질적인 것이 아니라, 화이트홀의 접근 불가능한 내부 부피에 대한 군집화에 기인한 것임을 제안한다.
• 화이트홀 잔여물의 수명을 우주론적 시간 척도, 특히 순환 우주론에서의 재가열과 붕괴 시점과 연결한다.
• 양자중력 예측과 일치하는 안정적인 플랑크 규모의 잔여물에 대한 물리적 메커니즘을 제공한다.

제안 방법

• 시간 대칭적인 양자중력 프레임워크를 사용하여 블랙홀에서 화이트홀으로의 전이를 양자 터널링으로 모델링한다.
• 화이트홀 잔여물의 수명 스케일 τ_WH ∼ m₀⁴ 와 블랙홀 단계의 수명 τ_BH ∼ m₀³ 을 사용하여 初기 질량 m₀ 를 제약한다.
• 상태 기술 |m₀, m⟩ 를 사용하여 초기 질량과 현재 질량을 모두 포함시키며, 내부 기하학과 사건의 지평선 면적을 구분한다.
• 엔트로피의 관점적 성격을 도입하여, 외부 관측량에 대한 군집화가 일반적인 찌그러진 중력장에서 낮은 엔트로피를 초래함을 설명한다.
• 양자중력 제약 조건 하에서 플랑크 규모의 화이트홀의 안정성을 분석하여, 초플랑크 에너지 절단에 의해 블랙홀로의 붕괴를 방지함을 보여준다.
• 잔여물의 형성과 재가열 또는 초기 빅뱅 이전의 붕괴 이후의 시점과 연결하여, 그 수명이 허블 시간을 초월함을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 증발한 블랙홀에서 생긴 화이트홀 잔여물이 타당한 암흑물질 후보가 될 수 있는가?
• RQ2 화이트홀 잔여물의 수명이 허블 시간과 같은 우주론적 시간 척도와 비교하여 어떻게 되는가?
• RQ3 초기 우주의 낮은 엔트로피 상태는 특별한 초기 미세상태 때문이 아니라, 특별한 거시적 관측량의 선택 때문인가?
• RQ4 화이트홀의 큰 내부 부피가 관측된 시간의 화살표를 어떻게 형성하는가?
• RQ5 화이트홀 잔여물의 지속 가능성은 특히 붕괴에 대한 안정성 측면에서 양자중력 제약 조건과 일치하는가?

주요 결과

• 초기 질량 m₀ 가 10¹⁰ g ≤ m₀ < 10¹⁵ g 범위에 있는 화이트홀 잔여물은 수명 τ_WH ∼ m₀⁴ 를 가지며, 이는 허블 시간을 초월하여 암흑물질 후보로 타당하다.
• 블랙홀 단계의 수명 τ_BH ∼ m₀³ 는 허블 시간보다 짧아, 현재 시대에 도달하기 전에 증발이 완료됨을 보장한다.
• 양자중력에서 초플랑크 에너지 절단에 의해 플랑크 규모의 화이트홀은 진동에 대해 안정되어 있으며, 블랙홀로의 붕괴를 방지한다.
• 초기 우주의 낮은 엔트로피는 관점적 효과로 설명될 수 있다: 화이트홀 외부의 관측자는 도메인 자유도의 일부만 접근할 수 있어 낮은 엔트로피의 군집화가 발생한다.
• 이 시나리오는 재가열 직후 또는 그 동안의 초기 블랙홀 형성과 일치하며, 그 때의 슈바르츠실트 반지름은 10⁻¹⁸–10⁻¹³ cm 범위였다.
• 블랙홀에서 화이트홀 단계로의 터널링 과정은 τ_T ∼ m_Pℓ 의 시간 척도에서 발생하며, 블랙홀 최후 상태 진화의 양자중력 모델과 일치한다.