SLIDE 1 Can ¡superconducting ¡stings ¡ piercing ¡seed ¡black ¡holes ¡generate ¡ SMBH ¡in ¡the ¡early ¡universe? ¡
¡ IF ¡Workshop, ¡27th ¡August ¡2015 ¡
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Matthew ¡Lake, ¡Institute ¡for ¡Fundamental ¡Study, ¡ Naresuan ¡University, ¡Phitsanulok, ¡Thailand ¡ ¡ ¡
SLIDE 2
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Overview ¡
* Observational ¡evidence ¡for ¡Super ¡Massive ¡Black ¡Holes ¡ (SMBH) ¡at ¡high ¡redshifts ¡ * Based ¡on ¡collaboration ¡with ¡T. ¡Harko ¡[arXiv:1505.01584] ¡ * Theoretical ¡problems ¡of ¡high ¡z ¡SMBH ¡for ¡ΛCDM ¡model ¡ * Theoretical ¡predictions ¡of ¡cosmic ¡strings ¡(at ¡high ¡z) ¡ ¡ * Observational ¡problem ¡of ¡NO ¡strings ¡(at ¡any ¡z) ¡ ¡ * Proposed ¡solution ¡+ ¡Summary ¡
SLIDE 3 *
Observational ¡evidence ¡for ¡SMBH ¡at ¡ high ¡redshifts ¡
* To ¡date, ¡around ¡40 ¡SMBH ¡(109-‑1010 ¡MS) ¡have ¡been ¡observed ¡at ¡ redshifts ¡z ¡> ¡6 ¡(< ¡1 ¡billion ¡yrs) ¡ * Some ¡at ¡z ¡> ¡7: ¡For ¡example ¡quasar ¡ULAS ¡J112001.48+064124.3 ¡at ¡z ¡= ¡
7.085 ¡with ¡M ¡= ¡2 ¡x ¡109 ¡MS ¡
SLIDE 4 *
Theoretical ¡Problem ¡of ¡SMBH ¡for ¡the ¡ ΛCDM ¡model ¡
The ¡ΛCDM ¡model ¡– ¡cosmological ¡
constant ¡with ¡cold ¡dark ¡matter ¡– ¡ is ¡in ¡good ¡agreement ¡with ¡ available ¡“cosmological” ¡data. ¡ Large ¡Scale ¡Structure ¡(LSS): ¡ Type ¡I ¡Super ¡Novae ¡(standard ¡ candles): ¡Cosmic ¡Microwave ¡ Background ¡(CMB): ¡Baryon ¡ Acoustic ¡Oscillations ¡(BAO) ¡ ¡ Problem ¡is ¡with ¡“astrophysics”! ¡
SLIDE 5 *
Theoretical ¡Problem ¡of ¡SMBH ¡for ¡the ¡ ΛCDM ¡model ¡
According ¡to ¡the ¡Millennium ¡Simulation ¡– ¡based ¡on ¡standard ¡ΛCDM ¡cosmology ¡ – ¡ ¡predicts ¡a ¡mass ¡density ¡for ¡SMBH ¡or ¡order ¡10-‑9 ¡MS ¡Mpc-‑3, ¡enough ¡to ¡give ¡only ¡ ~O(1) ¡SMBH ¡per ¡horizon ¡volume ¡at ¡z ¡> ¡6 ¡ Standard ¡models ¡based ¡on ¡mergers ¡ + ¡accretion ¡within ¡ΛCDM ¡cannot ¡ account ¡for ¡the ¡observational ¡data ¡ ¡ This ¡poses ¡a ¡severe ¡challenge ¡to ¡the ¡ΛCDM ¡concordance ¡model ¡even ¡if ¡it ¡still ¡ provides ¡the ¡best ¡fit ¡to ¡the ¡previous ¡data! ¡
SLIDE 6
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Theoretical ¡Predictions ¡of ¡Cosmic ¡ Strings ¡
Cosmic ¡Strings ¡are ¡line-‑like ¡ “defects” ¡predicted ¡to ¡form ¡at ¡ symmetry ¡breaking ¡phase ¡ transitions ¡in ¡the ¡early ¡universe ¡ (analogues ¡of ¡confining ¡flux ¡ tubes ¡formed ¡in ¡ superconductors ¡in ¡condensed ¡ matter ¡physics). ¡ String ¡formation ¡is ¡ubiquitous ¡in ¡ many ¡classes ¡of ¡SUSY ¡GUT ¡ model ¡(Sakellariadou ¡et ¡al), ¡ string ¡cosmology ¡(Tye ¡et ¡al), ¡etc ¡
SLIDE 7
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Theoretical ¡Predictions ¡of ¡Cosmic ¡ Strings ¡
3D ¡extension ¡of ¡2D ¡ “vortex” ¡configurations ¡in ¡ QFT ¡/ ¡F-‑strings, ¡one-‑ dimensional ¡D-‑branes ¡in ¡ string ¡theory ¡. ¡. ¡. ¡
SLIDE 8
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Observational ¡problem ¡-‑ ¡NO ¡strings ¡ ¡
Theoretically, ¡strings ¡can ¡be ¡“observed” ¡in ¡a ¡number ¡of ¡different ¡ ways: ¡gravitational ¡lensing, ¡ ¡CMB ¡imprints ¡(temperature ¡ fluctuations), ¡wakes, ¡gravitational ¡waves ¡. ¡. ¡etc ¡ So ¡far, ¡GUT ¡scales ¡strings ¡Gμ/c2 ¡~ ¡10-‑7 ¡are ¡marginally ¡consistent ¡ with ¡WMAP ¡fitting. ¡Planck ¡may ¡be ¡able ¡to ¡confirm ¡existence ¡or ¡ rule ¡out ¡within ¡the ¡next ¡few ¡years. ¡ ¡ An ¡important ¡generalization ¡of ¡the ¡original ¡(vacuum) ¡string ¡ models ¡was ¡given ¡by ¡Witten, ¡who ¡showed ¡that ¡string ¡can ¡carry ¡ superconducting ¡currents ¡– ¡Teslarian ¡network ¡of ¡ superconducting ¡“wires” ¡in ¡the ¡early ¡universe! ¡
SLIDE 9
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Proposed ¡Solution: ¡ ¡
Theory: ¡Plug ¡a ¡small ¡seed ¡black ¡hole ¡into ¡the ¡cosmic ¡string ¡“grid” ¡ and ¡feed ¡it ¡electricity. ¡ ¡ ¡ Consequence: ¡No ¡strings, ¡fat ¡black ¡holes. ¡ ¡ Toy ¡Model: ¡Two ¡antipodal ¡strings, ¡carrying ¡opposite ¡charge ¡and ¡equal ¡ current ¡density ¡in ¡opposite ¡directions: ¡current ¡parameter ¡Ω ¡ ¡ ¡ Zero ¡net ¡charge ¡gain. ¡Zero ¡net ¡momentum ¡gain. ¡K.E. ¡associated ¡ with ¡current ¡flow ¡converted ¡to ¡rest ¡mass ¡when ¡entering ¡horizon. ¡ ¡
E = µ × ct × Ω−2 P = µ × ct × (1 − Ω2)/Ω2 ∆E = Pc Ω ∈ (0, 1]
SLIDE 10
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Proposed ¡Solution: ¡ ¡
Assuming ¡a ¡seed ¡black ¡hole ¡with ¡negligible ¡mass, ¡plus ¡string ¡ formation ¡at ¡the ¡end ¡of ¡the ¡inflationary ¡epoch ¡(-‑ish), ¡for ¡GUT ¡scale ¡ strings, ¡we ¡require: ¡ ¡
Ω−2 ∼ 1.0003
This ¡corresponds ¡to ¡a ¡current ¡of: ¡ JGUT ∼ 1025Fr s−1 to ¡“grow” ¡a ¡SMBH ¡of ¡mass ¡2 ¡x ¡109 ¡MS ¡by ¡0.77 ¡billion ¡years ¡(z ¡= ¡7.085) ¡ To ¡put ¡that ¡into ¡perspective ¡its ¡equivalent ¡to ¡~ ¡3 ¡x ¡1015 ¡Amps, ¡or ¡ enough ¡to ¡blow ¡1.5 ¡billion ¡billion ¡billion ¡billion ¡20 ¡Amp ¡fuses ¡(per ¡ second ¡. ¡. ¡for ¡0.77 ¡billions ¡years) ¡ ¡
SLIDE 11
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Summary ¡
* Strong ¡observational ¡evidence ¡for ¡large ¡numbers ¡of ¡SMBH ¡at ¡ high ¡redshifts ¡(z ¡> ¡6) ¡ * Solution: ¡Let ¡Nikolai ¡Tesla ¡design ¡the ¡early ¡universe ¡– ¡plug ¡ black ¡holes ¡into ¡the ¡universal ¡power ¡grid ¡and ¡let ¡them ¡“eat” ¡it. ¡ * Theoretically ¡impossible ¡in ¡ΛCDM ¡model ¡ * Strong ¡theoretical ¡prediction ¡of ¡cosmic ¡strings ¡(required ¡for ¡ consistency ¡– ¡often ¡unavoidable ¡in ¡SUSY ¡GUTs, ¡string ¡ cosmology ¡etc) ¡ ¡ ¡ * Observationally ¡absent ¡
SLIDE 12
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Summary ¡
NO ¡strings ¡(now) ¡+ ¡FAT ¡black ¡holes ¡ ขอบคุณครับ ¡
