[论文解读] Physical black holes in semiclassical gravity

Sebastian Murk, Daniel R. Terno|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 4

一句话总结

本文研究了在半经典引力框架下，当远处观测者观测到类视界在有限时间内形成时，物理黑洞的形成过程。研究发现，此类视界要求违反能量条件，导致形成后不再吸积物质，且标准表面引力定义与霍金辐射不相容，暗示由于形成时间不足或量子引力效应，实际观测到的天体物理黑洞可能并不真正拥有视界。

ABSTRACT

We derive and critically examine the consequences that follow from the formation of a regular black or white hole horizon in finite time of a distant observer. In spherical symmetry, only two distinct classes of solutions to the semiclassical Einstein equations are self-consistent. Both are required to describe the formation of physical black holes and violate the null energy condition in the vicinity of the outer apparent horizon. The near-horizon geometry differs considerably from that of classical solutions. If semiclassical physics is valid, accretion into a black hole is no longer possible after the horizon has formed. In addition, the two principal generalizations of surface gravity to dynamical spacetimes are irreconcilable, and neither can describe the emission of nearly-thermal radiation. Comparison of the required energy and timescales with established semiclassical results suggests that if the observed astrophysical black holes indeed have horizons, their formation is associated with new physics.

研究动机与目标

• 确定在球对称条件下，远处观测者观测到常规黑洞视界在有限时间内形成时的物理与几何后果。
• 评估半经典引力是否允许在无奇点或新物理的前提下实现一致的黑洞形成。
• 评估在有限时间形成视界的动态时空背景下，标准表面引力定义与霍金辐射的可行性。
• 研究观测到的天体物理黑洞是否实际上可能为无视界的超致密天体，原因在于视界形成时间不足。

提出的方法

• 推导并分类在假设有限时间视界形成前提下，半经典爱因斯坦方程的球对称解。
• 将类视界作为物理黑洞的定义特征，以局部可观测概念替代全局事件视界。
• 利用Kodama矢量与表面引力定义分析近视界几何结构，比较剥裂法（peeling）与Kodama版本的差异。
• 评估外类视界附近的能量条件，特别是零能量条件（NEC）。
• 将所得动力学行为与已知的半经典结果（包括霍金辐射与Page的蒸发定律）进行比较。
• 评估视界形成的时间尺度，并与霍金衰变时间比较，以评估物理可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在球对称条件下，远处观测者观测到常规类视界在有限时间内形成时，其几何与动力学后果是什么？
• RQ2 视界附近零能量条件的违反如何影响半经典引力中的吸积与辐射发射？
• RQ3 为何在有限时间形成视界的动态时空中，表面引力的两种标准定义（peeling与Kodama）无法兼容？
• RQ4 在这样的动态解中，能否实现标准的近似热辐射霍金辐射预测？
• RQ5 观测到的天体物理黑洞是否真的拥有视界，还是可能因形成时间不足而为无视界天体？

主要发现

• 当远处观测者观测到常规视界在有限时间内形成时，半经典爱因斯坦方程仅有两类自洽的球对称解。
• 物理黑洞视界的形成要求在外类视界附近违反零能量条件，暗示存在奇异物质或量子效应。
• 视界形成后，在半经典物理框架下，物质不再能向黑洞吸积，意味着要么发生蒸发，要么呈现类白洞的膨胀行为。
• 在视界形成的瞬间，Kodama表面引力为零，与半经典结果中预期的1/(4M)标准值相矛盾。
• 在动态时空中，表面引力的两种主要定义（peeling与Kodama）无法调和，从而破坏了霍金辐射推导的基础。
• 视界形成的时间尺度与宏观黑洞的霍金衰变时间相当，暗示观测到的天体物理黑洞可能尚未形成视界。