[论文解读] Astrophysical black holes may radiate, but they do not evaporate

George Ellis|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2013

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 41被引用 12

一句话总结

本文主张，由于在类时的外缘捕获表面（EMOTS）附近发射具有局域性，天体物理黑洞不会通过霍金辐射完全蒸发，大部分辐射会落入类空奇点而非逃逸至无穷远。因此，会残留有限的剩余质量与熵，通过将信息丢失限制在事件视界之内，解决了信息悖论。

ABSTRACT

This paper argues that the effect of Hawking radiation on an astrophysical black hole situated in a realistic cosmological context is not total evaporation of the black hole; rather there will always be a remnant mass. The key point is that the locus of emission of Hawking radiation is not the globally defined event horizon. Rather the emission domain lies just outside a timelike Marginal Outer Trapped Surface that is locally defined. The emission domain is mainly located inside the event horizon. A spacelike singularity forms behind the event horizon, and most of the Hawking radiation ends up at this singularity rather than at infinity. Whether any Hawking radiation reaches infinity depends on the relation between the emission domain and the event horizon. From the outside view, even if radiation is seen as always being emitted, the black hole never evaporates away, rather its mass and entropy asymptote to finite non-zero limits, and the event horizon always acts as a sink for matter and information. From an inside view, the matter and information disappear into the singularity, which is the boundary of spacetime. The argument is based on the nature of the processes at work plus a careful delineation of the relevant causal domains; in order to confirm this model and determine details of the outcome, detailed calculations of the expectation value of the stress-energy-momentum tensor are needed to determine back reaction effects.

研究动机与目标

• 挑战主流观点，即天体物理黑洞会通过霍金辐射完全蒸发。
• 通过表明信息损失发生在类空奇点而非无穷远处，解决黑洞信息悖论。
• 确立事件视界并非霍金辐射的发射源，而是一个辐射被吸收的因果边界。
• 提出黑洞的新热力学第三定律，即熵无法通过辐射过程降至零。
• 主张黑洞的最终状态是一个具有非零质量与熵的稳定残留物，而非完全蒸发。

提出的方法

• 分析球对称时空中的因果结构，重点关注发射区域相对于事件视界与捕获面的位置。
• 识别霍金辐射起源于局部定义的类时EMOTS（外缘捕获表面），而非全局定义的事件视界。
• 使用Parikh-Wilczek粒子发射模型，将辐射描述为局域过程，能量损失来自EMOTS而非事件视界。
• 考虑对EMOTS和OMOTS（最外层外缘捕获表面）的反作用效应，这些效应决定了最终质量与事件视界位置。
• 应用应力-能量-动量张量期望值来建模辐射反作用，尽管完整计算仍有待完成。
• 比较两种情形：'明亮'（辐射逃逸至无穷远）与'黑暗'（辐射落入奇点），后者因时空几何更合理。

实验结果

研究问题

• RQ1 霍金辐射是否起源于事件视界，还是起源于局部定义的捕获面？
• RQ2 霍金辐射能否逃逸至无穷远，还是主要落入类空奇点？
• RQ3 什么决定了黑洞辐射发射后的最终残留质量？
• RQ4 类空奇点的存在如何影响黑洞蒸发过程中的信息与能量平衡？
• RQ5 黑洞的最终状态是稳定残留物，还是会发生完全蒸发？

主要发现

• 霍金辐射从位于捕获面之外的局部定义类时EMOTS发射，而非全局定义的事件视界。
• 由于时空曲率与宇宙微波背景聚焦效应，大部分霍金辐射被导向未来类空奇点，而非逃逸至无穷远。
• 最终残留质量为 $ m_{\text{final}} = m_0 - \Delta m_{\text{emit}} $，其中 $ \Delta m_{\text{emit}} \geq 0 $，且 $ m_{\text{final}} > 0 $，表明仍有非零质量残留。
• 最终状态为被事件视界包围的类空奇点，黑洞永远不会完全蒸发。
• 信息丢失悖论得以解决，因为信息在因果上与外部宇宙隔绝的奇点处丢失。
• 隐含了新的热力学第三定律：无法通过辐射过程将黑洞熵降至零，因为总会残留有限的残留物。