[논문 리뷰] Dynamical 3-Space: Black Holes in an Expanding Universe

David P. Rothall, Reginald T. Cahill|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 04.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 13인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 동적 3차원 공간 이론에서 블랙홀이 자연스럽게 허블 팽창과 공존하며, 장거리 유입 해법을 생성하여 은하 필라멘트와 거품과 유사한 네트워크 구조를 유도한다고 제안한다. 이 이론은 바리온 물질이나 암흑 에너지를 요구하지 않고, 공간의 내재적 역학을 통해 암흑 물질과 유사한 효과와 대규모 구조 형성을 설명하며, 관측된 우주 내 우주 빈자리와 필라멘트를 형성하는 안정적이고 시간에 따라 변화하는 블랙홀과 필라멘트의 네트워크를 예측한다.

ABSTRACT

Black holes are usually studied without including effects of the expanding universe. However in some recent studies black holes have been embedded in an expanding universe, in order to determine the interplay, if any, of these two dynamical processes. Dynamical 3-space theory contains time independent solutions for black holes, which are spatial in-flows, and separately the time dependent Hubble expansion. This theory has explained numerous puzzles in observational astrophysics and contains 3 constants; G, alpha - which from experimental data turns out to be the fine structure constant, and delta - which is a small but nonzero distance, possibly a Planck-type length. The Hubble expansion in the dynamical 3-space theory cannot be `switched off', forcing the study, first, of isolated black holes coexisting with the expanding universe. It is shown that a time dependent black hole and expanding universe solution exists. The nature and implications of these solutions are discussed as they evolve over time. A dynamical network of black holes and induced linking cosmic filaments forming bubble structures is discussed, as a consequence of dynamical 3-space undergoing a dynamical breakdown of homogeneity and isotropy, even in the absence of baryonic matter.

연구 동기 및 목표

• 동적 3차원 공간 이론 내에서 고립된 블랙홀이 팽창하는 우주에 임베디드될 경우 어떻게 행동하는지 조사하기.
• 지속적인 허블 팽창 하에서 블랙홀의 장거리 유입 해법이 여전히 유효한지 확인하기.
• 균일성과 등방성의 동적 붕괴에서 비롯된 은하망성 필라멘트 네트워크와 거품과 유사한 구조의 기원 탐색하기.
• 은하 필라멘트와 빈자리와 같은 대규모 천체물리학적 구조를 바리온 물질에 의존하지 않고 공간 역학의 자가조직화를 통해 설명하기.

제안 방법

• 논문은 공간을 동적이고 프랙탈 양자 폭풍으로 모델링하는 비선형적이고 기하학적이지 않은 장 방정정식인 동적 3차원 공간 방정식 (1)을 사용한다. 이는 속도장 v(r,t)를 기술한다.
• 허블 팽창에 임베디드된 블랙홀에 대한 시간에 의존하는 해를 유도하기 위해, 허블 상수 H₀ = 74 km s⁻¹ Mpc⁻¹ 를 적용한다.
• 이 이론은 공간의 자가상호작용과 곡률 효과를 지배하는 두 가지 기본 상수를 포함한다: α ≈ 1/137 (정밀 구조 상수) 및 δ (작은 플랑크 척도 길이).
• 중력 가속도를 g = ∂v/∂t + (v·∇)v + ... 를 통해 양자파 간섭 효과로 모델링하며, 여기서 v 는 물질에 대한 국소 공간 속도이다.
• 이론은 속도장의 응력 텐서의 발산으로부터 효과적인 암흑 물질 밀도 ρDM 를 예측하여, 암흑 물질을 도입하지 않고도 평탄한 은하 회전 곡선을 설명한다.
• 수치적 및 개략적 해법 (그림 6–8) 은 여러 블랙홀의 유입이 어떻게 연결된 필라멘트와 안정적인 거품과 유사한 네트워크로 진화하는지 시각화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동적 3차원 공간 이론 내에서 고립된 블랙홀 해법이 팽창하는 우주에 임베디드되어도 일관성을 유지할 수 있는가?
• RQ2 여러 블랙홀의 장거리 유입 영역이 팽창하는 공간에서 상호 영향을 미칠 경우, 어떻게 상호작용하는가?
• RQ3 물질이 존재하지 않는 상황에서도 3차원 공간의 균일성과 등방성의 동적 붕괴에서 어떤 구조가 발생하는가?
• RQ4 관측된 은하망성 필라멘트와 빈자리 네트워크가 암흑 물질이나 우주론적 상수 대신 공간의 내재적 역학으로 설명될 수 있는가?
• RQ5 이 이론에서 허블 팽창은 블랙홀 해법과 동적으로 분리될 수 없는가? 그리고 이는 구조 형성에 어떤 함의를 지닌다?

주요 결과

• 동적 3차원 공간 이론 내에서 허블 팽창과 공존하는 블랙홀에 대한 시간에 의존하는 해가 존재하며, 팽창을 끄는 자유 매개변수가 없이도 유지된다.
• 블랙홀의 영향 범위는 유입이 반전되는 반경 rc 로 정의되며, 은하수의 SgrA* 블랙홀의 경우 rc ≈ 1.6 Mpc 로 계산되며, 은하 스케일 역학과 일치한다.
• 유입 속도의 장거리 1/r 의 거치례는 추가로 보이지 않는 질량을 도입하지 않고도 은하 회전 곡선의 '암흑 물질 효과'를 설명한다.
• 여러 블랙홀 간의 영향이 서로 겹칠 경우, 그들의 유입장은 연결된 필라멘트로 진화하여 네트워크 형태를 형성한다.
• 시스템은 안정적인 거품과 유사한 구조로 자가조직화되며, 여기서 허블 팽창이 내향적 공간 유입과 균형을 이루며 관측된 우주 빈자리와 필라멘트 네트워크를 재현한다.
• 은하 필라멘트와 빈자리의 형성은 초기 블랙홀에 의해 유도된 균일한 3차원 공간의 동적 불안정성에서 비롯되며, 바리온 물질이 없더라도 발생한다. 이는 공간 역학 자체가 대규모 구조의 씨앗이 될 수 있음을 시사한다.