Некоторые аспекты первичных черных дыр в ранней Вселенной и инфляционная космология

  • Александр Эммануилович Шалыт-Марголин Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь

Аннотация

Первичные черные дыры могут возникнуть в ранней Вселенной независимо от того, какой космологический сценарий ее расширения (инфляционный, циклический или другой) реализуется. Однако само существование данных объектов может изменить основные параметры вышеуказанного сценария, если они возникают до начала его осуществления, т. е. в первые мгновения после Большого взрыва. В связи с этим исследование формирования и испарения первичных черных дыр является эффективным инструментом для изучения процессов в ранней Вселенной, в частности гравитационного коллапса, различных космологических моделей, а также физики высоких энергий. В настоящее время такие черные дыры обычно исследуются в рамках полуклассической аппроксимации, т. е. когда вторично квантованные поля материи рассматриваются на фоне классического пространствавремени. Но так как энергии, при которых образуются первичные черные дыры, часто близки к планковским энергиям, подобное рассмотрение не может считаться удовлетворительным, поскольку в этом случае становятся существенными квантово-гравитационные эффекты. В работе показано, как порожденные данными эффектами квантово-гравитационные поправки учитываются в инфляционных космологических моделях, если в доинфляционную эпоху возникают первичные черные дыры. Продемонстрировано, что в рамках справедливости обобщенного принципа неопределенности эти поправки могут быть вычислены для всех основных инфляционных параметров, таких как масштабный фактор, параметр Хаббла, параметры медленного скатывания и др.

Биография автора

Александр Эммануилович Шалыт-Марголин, Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь

доктор физико-математических наук; главный научный сотрудник лаборатории фундаментальных взаимодействий

Литература

  1. Shalyt-Margolin A. The equivalence principle applicability boundaries, measurability, and UVD in QFT. Nonlinear Phenomena in Complex Systems. 2021;24(1):38–55. DOI: 10.33581/1561-4085-2021-24-1-38-55.
  2. Weinberg S. The quantum theory of fields. Cambridge: Cambridge University Press; 1995. 2 volumes.
  3. Shalyt-Margolin A. The quantum field theory boundaries applicability and black holes thermodynamics. International Journal of Theoretical Physics. 2021;60(5):1858–1869. DOI: 10.1007/s10773-021-04804-1.
  4. Shalyt-Margolin A. The discrete and continuous quantum field theories and natural ultraviolet cutting-off. Nonlinear Phenomena in Complex Systems. 2021;24(3):280–291. DOI: 10.33581/1561-4085-2021-24-3-280-291.
  5. Misner CW, Thorne KS, Wheeler JA. Gravitation. San Francisco: W. H. Freeman and Company; 1973. XXVII, 1278 p.
  6. Hawking SW. Spacetime foam. Nuclear Physics B. 1978;144(2–3):349–362. DOI: 10.1016/0550-3213(78)90375-9.
  7. Garay LJ. Spacetime foam as a quantum thermal bath. Physical Review Letters. 1998;80(12):2508. DOI: 10.1103/PhysRevLett.80.2508.
  8. Scardigli F. Black hole entropy: a spacetime foam approach. Classical and Quantum Gravity. 1997;14(7):1781–1793. DOI: 10.1088/0264-9381/14/7/014.
  9. Scardigli F. Generalized uncertainty principle in quantum gravity from micro-black hole gedanken experiment. Physics Letters B. 1999;452(1–2):39–44. DOI: 10.1016/S0370-2693(99)00167-7.
  10. Scardigli F. Gravity coupling from micro-black holes. Nuclear Physics B: Proceedings Supplements. 2000;88(1–3):291–294. DOI: 10.1016/S0920-5632(00)00788-X.
  11. Green AM, Kavanagh BJ. Primordial black holes as a dark matter candidate. Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics. 2021;48(4):043001. DOI: 10.1088/1361-6471/abc534.
  12. Zel’dovich YaB, Novikov ID. The hypothesis of cores retarded during expansion and the hot cosmological model. Soviet Astronomy – AJ. 1967;10(4):602–603.
  13. Hawking S. Gravitationally collapsed objects of very low mass. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 1971;152(1):75–78. DOI: 10.1093/mnras/152.1.75.
  14. Carr BJ, Hawking SW. Black holes in the early Universe. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 1974;168(2):399–415. DOI: 10.1093/mnras/168.2.399.
  15. Carr BJ. The primordial black hole mass spectrum. The Astrophysical Journal. 1975;201:1–19. DOI: 10.1086/153853.
  16. Carr BJ. Primordial black holes as a probe of cosmology and high energy physics. In: Giulini DJW, Kiefer C, Lämmerzahl C, editors. Quantum gravity: from theory to experimental search. Berlin: Springer-Verlag; 2003. p. 301–321 (Lecture notes in physics; volume 631). DOI: 10.1007/978-3-540-45230-0_7.
  17. Carr BJ. Primordial black holes – recent developments. In: Chen P, Bloom E, Madejski G, Patrosian V, editors. Proceedings of the 22nd Texas symposium on relativistic astrophysics at Stanford University; 2004 December 13–17; Stanford, USA. [S. l.]: [s. n.]; 2004. p. 89–100.
  18. Calmet X, Carr B, Winstanley E. Quantum black holes. Heidelberg: Springer; 2014. XI, 104 p. (SpringerBriefs in physics). DOI: 10.1007/978-3-642-38939-9.
  19. Hawking SW. Particle creation by black holes. Communications in Mathematical Physics. 1975;43(3):199–220. DOI: 10.1007/BF02345020.
  20. ’t Hooft G, Giddings SB, Rovelli C, Nicolini P, Mureika J, Kaminski M, et al. Panel discussion, «The duel»: the good, the bad, and the ugly of gravity and information. In: Nicolini P, Kaminski M, Mureika J, Bleicher M, editors. 2nd Karl Schwarzschild meeting on gravitational physics; 2015 July 20–24; Frankfurt am Main, Germany. Cham: Springer; 2018. p. 13–35 (Springer proceedings in physics; volume 208). DOI: 10.1007/978-3-319-94256-8_2.
  21. Adler RJ, Santiago DI. On gravity and the uncertainty principle. Modern Physics Letters A. 1999;14(20):1371–1378. DOI: 10.1142/s0217732399001462.
  22. Tawfik A, Diab A. Generalized uncertainty principle: approaches and applications. International Journal of Modern Physics D. 2014;23(12):1430025. DOI: 10.1142/S0218271814300250.
  23. Nouicer K. Quantum-corrected black hole thermodynamics to all orders in the Planck length. Physics Letters B. 2007;646(2–3):63–71. DOI: 10.1016/j.physletb.2006.12.072.
  24. Frolov VP, Novikov ID. Black hole physics: basic concepts and new developments. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers; 1998. XXI, 770 p. (Fundamental theories of physics; volume 96).
  25. Shalyt-Margolin AE, Suarez JG. Quantum mechanics at Planck’s scale and density matrix. International Journal of Modern Physics D. 2003;12(7):1265–1278. DOI: 10.1142/s0218271803003700.
  26. Shalyt-Margolin AE, Tregubovich AYa. Deformed density matrix and generalized uncertainty relation in thermodynamics. Modern Physics Letters A. 2004;19(1):71–81. DOI: 10.1142/s0217732304012812.
  27. Wald RM. General relativity. Chicago: University of Chicago Press; 1984. XIII, 491 p. DOI: 10.7208/chicago/9780226870373.001.0001.
  28. Nariai H. On some static solutions of Einstein’s gravitational field equations in a spherically symmetric case. Science Reports of the Tohoku University. Series 1, Physics, chemistry, astronomy. 1950;34(3):160–167.
  29. Nariai H. On a new cosmological solution of Einstein’s field equations of gravitation. Science Reports of the Tohoku University. Series 1, Physics, chemistry, astronomy. 1951;35(1):62–67.
  30. Prokopec T, Reska P. Scalar cosmological perturbations from inflationary black holes. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. 2011;3:050. DOI: 10.1088/1475-7516/2011/03/050.
  31. Adler RJ, Chen P, Santiago DI. The generalized uncertainty principle and black hole remnants. General Relativity and Gravitation. 2001;33(12):2101–2108. DOI: 10.1023/A:1015281430411.
  32. Gorbunov DS, Rubakov VA. Introduction to the theory of the early Universe: cosmological perturbations and inflationary theory. Singapore: World Scientific; 2011. XIII, 489 p.
  33. Bekenstein JD. Black holes and entropy. Physical Review D. 1973;7(8):2333. DOI: 10.1103/PhysRevD.7.2333.
  34. Bekenstein JD. Black holes and the second law. Lettere al Nuovo Cimento. 1972;4(15):737–740. DOI: 10.1007/BF02757029.
  35. Corless RM, Gonnet GH, Hare DEG, Jeffrey DJ, Knuth DE. On the Lambert W function. Advances in Computational Mathematics. 1996;5:329–359. DOI: 10.1007/BF02124750.
  36. Faddeev LD. [Mathematical view on the evolution of physics]. Priroda. 1989;5:11–16. Russian.
  37. Weinberg S. Cosmology. Oxford: Oxford University Press; 2008. XVII, 593 p.
  38. Mukhanov V. Physical foundations of cosmology. Cambridge: Cambridge University Press; 2005. XX, 421 p. DOI: 10.1017/CBO9780511790553.
Опубликован
2023-05-29
Ключевые слова: первичные черные дыры, инфляционная космология, квантово-гравитационные поправки
Поддерживающие организации Автор выражает благодарность рецензенту за важные замечания по тексту статьи.
Как цитировать
Шалыт-Марголин, А. Э. (2023). Некоторые аспекты первичных черных дыр в ранней Вселенной и инфляционная космология. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 2, 74-81. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/physics/article/view/5605
Выпуск
№ 2 (2023): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Теоретическая физика

Copyright (c) 2023 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).