[论文解读] Neutrino-induced Collapse of Bare Strange Stars Via TeV-scale Black Hole Seeding

P. W. Gorham, J. G. Learned+1 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2002

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 3被引用 4

一句话总结

本文提出，由超高能中微子在裸奇异星中引发的TeV尺度黑洞，若吸积速率超过霍金辐射，则可能触发灾难性坍缩。研究发现，观测到的奇异星候选体长期稳定性排除了在最多两个额外维度下低于约2 TeV的普朗克尺度，从而限制了低尺度引力模型。

ABSTRACT

There is increasing observational evidence for the existence of strange stars: ultra-compact objects whose interior consists entirely of deconfined quark matter. If confirmed, their existence places constraints on the rate of formation of microscopic black holes in models which invoke a TeV-scale Planck mass. In such models, black holes can form with ~TeV masses through nuclear interactions of particles with PeV and greater energies. Once formed, these black hole states are unstable to Hawking radiation, and rapidly decay. However, if such a black hole forms in the interior of a strange star, the density is high enough that the decay may be counterbalanced by accretion, and the black hole can grow, leading to subsequent catastropic collapse of the star. A guaranteed source of ultra-high energy particles is provided by the cosmogenic Greisen neutrinos, as well as by ultra-high energy cosmic rays, and the implied lifetimes for strange stars are extremely short, contrary to observations. The observed lifetimes of strange star candidates thus effectively exclude Planck mass scales of less than ~2 TeV with comparable black hole masses, for up to 2 extra dimensions. Seeding of strange star collapse in scenarios with a larger number of extra-dimensions or with higher mass black holes remains a possibility, and may provide another channel for the origin of gamma-ray bursts.

研究动机与目标

• 研究超高能中微子是否能在裸奇异星中形成TeV尺度黑洞并导致其坍缩。
• 基于观测到的奇异星候选体的稳定性，评估低尺度引力模型（TeV尺度普朗克质量）的可行性。
• 利用观测到的奇异星寿命，推导对基本普朗克尺度和额外维度数量的天体物理约束。
• 评估奇异星中黑洞种子是否可解释伽马射线暴的起源。
• 确定在致密星体环境中实现失控黑洞增长所需的最低中微子能量。

提出的方法

• 利用与史瓦西半径平方成正比的几何截面，建模超高能中微子与奇异星中核子的高能碰撞导致的黑洞形成过程。
• 应用霍金辐射衰变速率，估算在致密夸克物质环境中黑洞的蒸发 timescales。
• 基于黑洞温度与星体环境温度之间的能量平衡，推导出吸积必须超过蒸发才能实现黑洞增长的条件。
• 推导出失控增长的临界中微子能量阈值（公式5），其依赖于额外维度和星体温度。
• 利用预期的GZK中微子通量（最高达10^20.5 eV）反演阈值条件，估算由此推导出的奇异星寿命。
• 将预测的坍缩时间与观测到的奇异星候选体寿命（≥10^6 yr）进行比较，以约束基本普朗克尺度。

实验结果

研究问题

• RQ1 由奇异星中超高能中微子形成的TeV尺度黑洞是否会因吸积而增长，而非因霍金辐射而蒸发？
• RQ2 在给定内部温度的奇异星中，引发失控黑洞增长所需的最低中微子能量是多少？
• RQ3 观测到的奇异星候选体长期稳定性如何约束额外维度模型中的基本普朗克尺度？
• RQ4 奇异星中黑洞种子在多大程度上可解释观测到的伽马射线暴发生率？
• RQ5 GZK中微子通量对奇异星稳定性及低尺度引力模型的可行性有何影响？

主要发现

• 对于n ≤ 2个额外维度且普朗克尺度为1 TeV的情况，实现失控黑洞增长所需的最低中微子能量为2.5×10^16 eV（n=1）至4×10^25 eV（n=4），而GZK中微子通量仅能探测到n≤2的区域。
• 由于黑洞种子效应导致的奇异星寿命最多仅数年，与至少数百万年的观测寿命相矛盾。
• 基于观测到的奇异星候选体的稳定性，该矛盾排除了在最多两个额外维度下低于约2 TeV的基本普朗克尺度。
• 该约束对黑洞质量变化（最高约80 TeV）具有鲁棒性，且与Kaluza-Klein引力子的发射或衰变过程无关。
• 对于更多额外维度或更高黑洞质量的情况，黑洞种子机制仍具可行性，且可能解释伽马射线暴的起源。
• 对于n=2的情况，普朗克尺度的下限约为2 TeV，而n=1时的下限可能更高，具体取决于所假设的中微子通量和星体温度。