[论文解读] White-hole dark matter and the origin of past low-entropy

Carlo Rovelli, Francesca Vidotto|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2018

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 29被引用 10

一句话总结

本文提出，蒸发后的黑洞所形成的稳定、普朗克尺度的白洞残余物可能是暗物质，并可解释早期宇宙低熵的起源。通过利用展示黑洞向白洞隧穿的量子引力模型，作者认为这些残余物自然解释了暗物质密度以及时间之箭，其机制在于熵的视角解释：低过去熵源于对白洞巨大内部体积的访问受限。

ABSTRACT

Recent results on the end of black hole evaporation give new weight to the hypothesis that a component of dark matter could be formed by remnants of evaporated black holes: stable Planck-size white holes with a large interior. The expected lifetime of these objects is consistent with their production at reheating. But remnants could also be pre-big bang relics in a bounce cosmology, and this possibility has strong implications on the issue of the source of past low entropy: it could realise a perspectival interpretation of past low entropy. The ideas briefly presented in this essay are developed in forthcoming papers.

研究动机与目标

• 探讨蒸发后的白洞残余物是否可作为暗物质的可行候选。
• 解决早期宇宙低熵态未解之谜及时间之箭的起源问题。
• 提出低熵并非基本属性，而是源于对白洞不可访问内部体积的粗粒化。
• 将白洞残余物的寿命与宇宙学时标（特别是重加热和循环宇宙学中的反弹）相联系。
• 提供一种与量子引力预测一致的稳定、普朗克尺度残余物的物理机制。

提出的方法

• 通过量子隧穿机制建模黑洞到白洞的转变，采用时间对称的量子引力框架。
• 应用白洞残余物的寿命标度 τ_WH ∼ m₀⁴ 和黑洞阶段的寿命标度 τ_BH ∼ m₀³ 来约束初始质量 m₀。
• 使用态描述 |m₀, m⟩ 编码初始质量和当前质量，区分内部几何与视界面积。
• 引入熵的视角依赖性，即对外部可观测量的粗粒化导致在一般、褶皱的引力场中出现低熵。
• 分析普朗克尺度白洞在量子引力约束下的稳定性，表明其因量子引力中的超普朗克截断而抵抗衰变为黑洞。
• 将残余物的形成与暴胀后的重加热或预大爆炸反弹联系起来，确保其寿命超过哈勃时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 蒸发后的白洞残余物是否可作为可行的暗物质候选？
• RQ2 白洞残余物的寿命与宇宙学时标（特别是哈勃时间）相比如何？
• RQ3 早期宇宙的低熵态是否可不依赖于特殊初始微观态，而通过宏观可观测量的特殊选择来解释？
• RQ4 白洞的巨大内部体积在塑造观测到的时间之箭中起什么作用？
• RQ5 白洞残余物的持久性是否与量子引力约束一致，特别是对衰变的稳定性？

主要发现

• 初始质量 m₀ 在 10¹⁰ g ≤ m₀ < 10¹⁵ g 范围内的白洞残余物，其寿命 τ_WH ∼ m₀⁴ 超过哈勃时间，使其成为可行的暗物质候选。
• 黑洞阶段的寿命 τ_BH ∼ m₀³ 短于哈勃时间，确保蒸发在现今时代之前完成。
• 由于量子引力中的超普朗克截断，普朗克尺度白洞对微扰稳定，防止衰变为黑洞。
• 早期宇宙的低熵可解释为一种视角效应：白洞外部的观察者仅能访问部分自由度，导致低熵的粗粒化。
• 该情景与暴胀期间或暴胀后原初黑洞的形成一致，当时史瓦西半径处于 10⁻¹⁸–10⁻¹³ cm 范围。
• 从黑洞相到白洞相的隧穿过程发生在 τ_T ∼ m_Pℓ 量级的时间尺度，与黑洞终态演化量子引力模型一致。