[论文解读] Burst of particles from the falling asleep of the vacuum (or Tachyonic instability in relativistic stars)

André G. S. Landulfo, William C. C. Lima+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2012

Cosmology and Gravitation Theories被引用 1

一句话总结

该论文表明，在强曲率下的相对论性恒星中，tachyonic 不稳定性可触发真空涨落，即使在绝热极限下也会导致粒子产生。该不稳定性引起真空能量的快速增长，当不稳定阶段结束时，所产生的粒子数量取决于该不稳定阶段的持续时间和最终构型。

ABSTRACT

Dense enough compact objects were recently shown to lead to an exponentially fast increase of the vacuum energy density for some free scalar fields properly coupled to the spacetime curvature as a consequence of a tachyonic-like instability. Once the effect is triggered, the star energy density would be overwhelmed by the vacuum energy density in a few milliseconds. This demands that eventually geometry and field evolve to a new configuration to bring the vacuum back to a stationary regime. Here, we show that the vacuum fluctuations built up during the unstable epoch lead to particle creation in the final stationary state when the tachyonic instability ceases. The amount of created particles depends mostly on the duration of the unstable epoch and final stationary configuration, which are open issues at this point. We emphasize that the particle creation coming from the tachyonic instability will occur even in the adiabatic limit, where the spacetime geometry changes arbitrarily slowly, and therefore is quite distinct from the usual particle creation due to the change in the background geometry.

研究动机与目标

• 研究致密致密天体中的tachyonic不稳定性如何导致真空能量增长和粒子产生。
• 确定在时空几何缓慢演化（绝热演化）条件下，粒子产生是否仍会发生，从而挑战传统理解。
• 分析粒子产生对不稳定阶段持续时间和最终状态的依赖性。
• 阐明由tachyonic不稳定性引起的粒子产生与由标准动力学时空变化引起的粒子产生的区别。

提出的方法

• 在致密天体的强引力场中，对自由标量场与时空曲率的耦合进行建模。
• 分析导致真空能量密度指数增长的类似tachyonic的不稳定性。
• 利用弯曲时空中的量子场论，计算不稳定阶段期间及之后的粒子产生。
• 评估最终静态状态，以确定所产生粒子的谱分布和数量。
• 将结果与标准粒子产生机制进行比较，以分离出tachyonic贡献。
• 聚焦于绝热极限，表明即使几何变化缓慢，粒子产生依然存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 相对论性恒星中的tachyonic不稳定性是否会导致显著的真空能量增长及随后的粒子产生？
• RQ2 在时空变化缓慢的绝热极限下，tachyonic不稳定性引起的粒子产生是否仍会发生？
• RQ3 不稳定阶段的持续时间如何影响所产生粒子的数量？
• RQ4 不稳定停止后，系统达到静态状态时，最终的粒子谱由什么决定？
• RQ5 tachyonic粒子产生与由动力学时空几何引起的常规粒子产生有何不同？

主要发现

• 在致密致密天体中，tachyonic不稳定性导致真空能量密度呈指数级快速增加，其增长速度在毫秒量级内超过恒星自身的能量密度。
• 即使在绝热极限下（即时空几何缓慢演化），由于tachyonic不稳定性，粒子产生依然会发生，这使其与标准的动力学粒子产生机制区分开来。
• 所产生粒子的数量主要取决于不稳定阶段的持续时间以及系统的最终静态构型。
• 不稳定阶段期间产生的真空涨落，导致最终静态状态中存在非零的粒子数密度。
• 该机制暗示了一种独立于通常由曲率诱导的粒子产生机制的新粒子产生路径。
• 最终构型必须经历动态演化以稳定真空，表明所产生粒子对几何结构存在非平凡的反作用。