[论文解读] Planck stars: new sources in radio and gamma astronomy?

Carlo Rovelli|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 3

一句话总结

该论文提出，原初黑洞可能在普朗克密度下经历量子引力坍缩并反弹，形成所谓的‘普朗克星’，由于在普朗克密度下的量子隧穿效应，会发射可探测的射电波和伽马射线暴。这些信号具有与宇宙学红移不同的扁平波长-距离关系，为量子引力效应提供了潜在的观测特征。

ABSTRACT

A new phenomenon, recently studied in theoretical physics, may have considerable interest for astronomers: the explosive decay of old primordial black holes via quantum tunnelling. Models predict radio and gamma bursts with a characteristic frequency-distance relation making them identifiable. Their detection would be of major theoretical importance.

研究动机与目标

• 探索原初黑洞中的量子引力效应是否可能导致可观测的天体物理现象。
• 识别一种机制——在普朗克密度下的量子隧穿——可导致黑洞‘反弹’并爆炸，从而绕过经典稳定性。
• 提出此类爆炸会产生两个可探测的成分：一个射电波爆发和一个高能伽马射线爆发。
• 证明这些信号的波长-距离关系相较于标准宇宙学红移将被扁平化，从而可被识别。
• 论证探测这些信号将提供量子引力的首个直接观测证据。

提出的方法

• 建模早期宇宙中物质坍缩形成原初黑洞的过程，达到普朗克密度，此时量子引力效应占主导地位。
• 应用环量子引力原理描述在普朗克密度下的反弹，此时引力变为强烈排斥，防止奇点形成。
• 利用广义相对论的时间膨胀效应解释为何反弹在固有时间中发生迅速（毫秒级），但在外部宇宙时间中却缓慢（数百万年）。
• 使用隧穿模型推导此类黑洞的衰变时间：$ \tau \sim \frac{m^2}{m_{\text{Planck}}^2} t_{\text{Planck}} $，表明类地质量黑洞的寿命与哈勃时间相当。
• 基于黑洞的大小和形成历史，计算预期的辐射谱，包括一个低能射电成分（约毫米波长）和一个高能伽马射线成分（约TeV量级）。
• 预测一种修正的红移-距离关系（公式3），使标准宇宙学红移变平，从而将该信号与其他天体物理源区分开来。

实验结果

研究问题

• RQ1 原初黑洞中的量子引力效应是否会导致可观测的爆炸现象？
• RQ2 此类量子引力爆炸的特征频率和距离依赖性为何？
• RQ3 巨大的引力时间膨胀如何影响普朗克星爆炸的观测时标？
• RQ4 预测的信号能否与快速射电暴或伽马射线暴等其他天体物理暂现源区分开来？
• RQ5 何种观测特征可证实普朗克星作为量子引力表现形式的存在？

主要发现

• 预测类地质量的原初黑洞寿命与当前哈勃时间相当，使其在今天仍可能被观测到。
• 此类黑洞爆炸将释放约$ 10^{47} \text{erg}$的能量，相当于一颗小行星的质量，集中于毫米量级的区域。
• 信号的射电成分预计在约0.2 mm波长处达到峰值，处于赫歇尔望远镜上PACS和SPIRE仪器的灵敏度范围内。
• 高能伽马射线成分预计在TeV量级，与早期宇宙形成期间被捕获的光子能量尺度一致。
• 两个成分的观测波长-距离关系相较于标准宇宙学红移被扁平化，由公式（3）描述，提供了独特的观测特征。
• 普朗克星群体的积分弥散辐射将产生一个类似轻微畸变的黑体谱，与任何已知的天体物理背景均不同。