[논문 리뷰] A ghost and a naked singularity; facing our demons

Bob Holdom|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 21.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 고전적 척도 불변성과 동적 질량 생성을 바탕으로 한 이차 스칼라 중력 이론을 제안하며, 기본 질량 매개변수 없이 플랑크 질량이 동적으로 나타나도록 한다. 이 이론에서 고스트는 강한 결합 영역에서 중력보 전파자에 비물리적 행동을 유도하며, 이는 원인-결과 관계가 어긋나는 행동으로 나타난다. 반면, 상대성 이론적 물질에서 기인하는 시공간의 경계가 없는 2-2-홀(solution)은 타입이 비슷한 특이점을 지닌 채로 나타나며, 블랙홀보다 더 큰 엔트로피를 가지며, 라이고(LIGO)에서 감지 가능한 중력파 에코를 생성한다.

ABSTRACT

We encounter these demons on the path towards a UV complete QFT of gravity and a horizonless replacement for black holes. The fate of the ghost is discussed in the strong coupling version of classically-scale-invariant quadratic gravity. Rather than a propagating ghost, the full graviton propagator ends up with a slight acausal behavior. We then turn to the 2-2-hole solutions appearing in a classical approximation of the gravity theory. We present a new solution that is sourced by a relativistic gas, where a benign timelike singularity is shrouded by a fireball. Calculating the standard entropy gives an area law, and the entropy of a 2-2-hole can exceed that of the same size black hole. Finally, an observational consequence of 2-2-holes takes the form of gravitational wave echoes that can be generated by a newly formed 2-2-hole after a 2-2-hole merger. LIGO is sensitive to such a signal. We update the evidence from our previous search with five additional events reported more recently by LIGO.

연구 동기 및 목표

• 고전적 척도 불변성과 동적 질량 생성을 기반으로 한 UV 완전한 양자장 이론 중력 이론을 탐색한다.
• 강한 결합 영역에서의 전체 중력보 전파자 분석을 통해 이차 중력 이론에서의 고스트 문제를 해결한다.
• 상대성 이론적 기체로 인한 시공간의 경계가 없는 2-2-홀 해를 구성하고 분석한다.
• 이러한 2-2-홀이 LIGO에서 감지 가능한 중력파 에코를 생성할 수 있는지 조사한다.
• 2-2-홀의 엔트로피 구조를 면적 법칙에 따라 분석하고, 동일한 크기의 블랙홀 엔트로피와 비교한다.

제안 방법

• 강한 결합 영역에서 이차 중력 이론의 전체 스핀-2 중력보 전파자를 분석하며, 비추상적 보정 항인 $ M(p^2)^2 $, $ a(p^2) $, $ b(p^2) $ 를 포함한다.
• 양자 중력 이론의 고전적 근사법을 사용하여 유한 압력이 있는 상대성 기체로 인한 2-2-홀 해를 유도한다.
• 면적 법칙을 적용하여 2-2-홀의 엔트로피를 계산하고, 동일한 크기의 블랙홀 엔트로피와 비교한다.
• 2-2-홀 융합에서 발생하는 중력파 에코를 모델링하며, 주 터널과 에코 사이의 시간 지연 $ \Delta t $ 를 가정한다.
• 최근의 LIGO 이벤트 데이터(5개의 신규 이벤트 포함)를 분석하여 에코 매개변수를 제약하며, 특히 $ \eta \approx 1.7 $ 에 해당하는 반경 거리 $ \sim 10^{-28} \ell_{\rm Pl} $ 또는 진짜 플랑크 길이의 $ 10^{12} $ 배를 분석한다.
• 무질량 QCD 유사 이론에서의 추적 이상과 글루온 응집체를 통해 우주론적 상수 문제를 고려하며, 질량 갭과 진공 에너지 사이에 가능한 분리 가능성을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이차 중력 이론에서 고스트는 강한 결합 영역에서 어떻게 행동하는가? 그리고 불안정성 또는 비인과적 행동을 유도하는가?
• RQ2 상대성 이론적 물질에 의해 지속적으로 기여되는 시공간의 경계가 없는 2-2-홀 해는 타입이 비슷한 특이점을 지닌 채로 일관되게 존재할 수 있으며, 물리적으로 타당한가?
• RQ3 2-2-홀의 엔트로피는 면적 법칙을 따르는가? 그리고 동일한 크기의 블랙홀 엔트로피를 초과할 수 있는가?
• RQ4 2-2-홀 융합은 LIGO에서 감지 가능한 중력파 에코를 생성할 수 있는가? 최근 이벤트들은 에코 매개변수에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ5 고전적으로 척도 불변 이론에서 우주론적 상수가 동적으로 생성되는가? 아니면 비영인 진공 에너지 없이도 질량 갭이 존재할 수 있는가?

주요 결과

• 이차 중력 이론에서 고스트는 물리적 자유도로 전파되지 않으며, 강한 결합 역학으로 인해 전체 중력보 전파자에서 약간의 비인과적 행동을 유도한다.
• 상대성 기체로 인한 새로운 2-2-홀 해가 구성되었으며, 이는 불편한 타입의 특이점을 지닌 불꽃불꽃 같은 영역에 의해 둘러싸여 있다.
• 2-2-홀의 엔트로피는 면적 법칙을 따르며, 동일한 크기의 블랙홀보다도 클 수 있으며, 명확한 기하학적 해석이 가능하다.
• 2-2-홀 융합에서 발생하는 중력파 에코가 예측되며, 시간 지연 $ \Delta t $ 는 반경 거리 $ \sim 10^{-28} \ell_{\rm Pl} $ 또는 진짜 플랑크 길이의 $ 10^{12} $ 배를 의미한다.
• 5개의 추가 LIGO 이벤트 분석 결과, 일관된 에코 매개변수 $ \eta \approx 1.7 $ 가 지속적으로 나타나며, 데이터 내에서 안정적이고 측정 가능한 신호임을 시사한다.
• 이 이론은 우주론적 상수가 질량 갭을 생성하는 동역학과 동일한 원리로 유도되지 않을 수 있음을 시사하며, 질량 갭이 비영인 진공 에너지를 암시한다는 가정을 도전한다.