[论文解读] Primordial Universe Inside the Black Hole and Inflation

Hassan Firouzjahi|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2016

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 7被引用 8

一句话总结

本文提出原初宇宙起源于一个原初黑洞内部，该黑洞内部被描述为 de Sitter（dS）时空。暴胀自然地源于黑洞视界处的量子涨落，而霍金辐射则终止暴胀，触发再加热并引发热大爆炸。该模型预测了接近标度不变的标量与张量扰动，张量/标量比约为 10⁻³，提供了一种无需暴胀场的暴胀机制。

ABSTRACT

We speculate that the early Universe was inside a primordial black hole. The interior of the the black hole is a dS background and the two spacetimes are separated on the surface of black hole's event horizon. We argue that this picture provides a natural realization of inflation without invoking the inflaton field. The black hole evaporation by Hawking radiation provides a natural mechanism for terminating inflation so reheating and the hot big bang cosmology starts from the evaporation of black hole to relativistic particles. The quantum gravitational fluctuations at the boundary of black hole generate the nearly scale invariant scalar and tensor perturbations with the ratio of tensor to scalar power spectra at the order of $10^{-3}$. As the black hole evaporates, the radius of its event horizon shrinks and the Hubble expansion rate during inflation increases slowly so the quantum Hawking radiation provides a novel mechanism for the violation of null energy condition in cosmology.

研究动机与目标

• 探讨原初宇宙是否可能起源于一个原初黑洞内部，为标准暴胀模型提供一种替代方案。
• 解决基于暴胀场的暴胀理论的若干概念性缺陷，例如暴胀场的本质以及初始奇点问题。
• 利用黑洞物理（特别是霍金辐射）提供一种无需引入基本标量场的暴胀与再加热机制。
• 生成可观测的原初扰动——标量与张量扰动，其功率谱与CMB观测结果一致。
• 探讨该模型对宇宙学常数问题及多重宇宙的启示，通过多个黑洞宇宙实现。

提出的方法

• 本文将原初黑洞的内部建模为 de Sitter（dS）时空，视界作为宇宙视界。
• 在视界处将 dS 内部与外部的史瓦西几何相匹配，假设视界半径等于哈勃半径（r₀ = 2GM = H⁻¹）。
• 视界处的量子引力涨落产生接近标度不变的标量与张量扰动，其功率谱由 dS 真空导出。
• 黑洞的霍金辐射为暴胀的自然终止机制提供支持，进而导致再加热并开启热大爆炸。
• 该模型通过视界处外曲率的匹配来评估一致性，尽管发现 Kᵗᵗ 分量在视界处存在发散，表明可能需要量子修正或表面能密度。
• 黑洞蒸发过程中视界半径的时间演化导致哈勃速率缓慢增加，动态地违反了零能量条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能通过利用原初黑洞内部的物理特性，实现无需暴胀场的暴胀？
• RQ2 在黑洞宇宙学框架下，如何自然地解释暴胀的终止与再加热？
• RQ3 该模型中原初扰动的近似标度不变性源于何处？其张量/标量比是多少？
• RQ4 黑洞的蒸发如何影响哈勃膨胀速率？这是否会导致零能量条件的违反？
• RQ5 该模型能否通过用黑洞视界替代大爆炸奇点，解决初始奇点问题？

主要发现

• 该模型由于黑洞视界处的量子涨落，生成了接近标度不变的标量与张量扰动，与CMB观测结果一致。
• 张量/标量比预测为约 10⁻³，与普朗克和LIGO的当前观测约束相符。
• 原初黑洞的霍金辐射提供了一种自然机制，用以终止暴胀并启动再加热，从而引发热大爆炸。
• 随着黑洞蒸发，事件视界收缩，导致哈勃膨胀速率缓慢增加，动态地违反了零能量条件。
• 在 r₀ = 2GM = H⁻¹ 处将 dS 内部与黑洞外部匹配，导致外曲率分量 Kᵗᵗ 发散，表明可能存在不一致性，需引入量子修正或表面能密度。
• 若存在多个原初黑洞，该情景暗示多重宇宙的存在，每个黑洞孕育一个独立的宇宙，同时为宇宙学常数问题提供了潜在的解决途径。