ブラックホール
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ブラックホール(Black hole)は、重力が強く、光さえも抜け出せない時空の領域のことを指し、その中心に特異点が存在する。大質量の恒星が超新星爆発した後、自己重力によって極限まで収縮することによって生成したり、巨大なガス雲が収縮することで生成すると考えられている。ブラックホールの境界は、事象の地平面 (event horizon) と呼ばれる。一般相対性理論では、厳密にはブラックホールは、『時空の他の領域と将来的に因果関係を持ち得ない領域』として定義される。
ブラックホール自体を直接観測することは、これまで成功していないが、周囲の物質の運動やブラックホールに吸い込まれていく物質が出すX線や宇宙ジェットから、その存在が信じられている。銀河の中心には、太陽質量の106〜1010倍程度の巨大ブラックホール (super-massive black hole) が存在すると考えられており、超新星爆発後は、太陽質量の10倍〜50倍のブラックホールが形成すると考えられている。最近、両者の中間の領域（太陽質量の103程度）のブラックホールの存在をうかがわせる観測結果も報告されており、中間質量ブラックホール (intermediate mass black hole; IMBH) と呼ばれている。
数式上は、すべての物質を飲み込むブラックホール解と相反するものとしてホワイトホール (white hole) 解が存在する。
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[編集] 概説
ブラックホールの周囲には非常に強い重力場が作られるため、ある半径より内側では脱出速度が光速を超え、光ですら外に出てくることが出来ない。この半径をシュヴァルツシルト半径と呼び、この半径を持つ球面を事象の地平面（シュヴァルツシルト面）と呼ぶ。また、この天体を「ブラックホール」（黒い穴）と命名したのはアメリカの物理学者ホイーラーである。ブラックホールそれ自体は不可視だが、ブラックホールが物質を吸い込む際に降着円盤を形成するので、そこから放出するX線やガンマ線、宇宙ジェットなどによって観測が可能である。
ブラックホールは単に元の星の構成物質がシュヴァルツシルト半径よりも小さく圧縮されてしまった状態の天体であり、事象の地平面の位置に何か構造があるわけではない。よってブラックホールに向かって落下する物体は事象の地平面を超えてそのまま中へ落ちて行く。実際には、有限な大きさを持つ物体は強力な潮汐力を受けるため、事象の地平面に到達する前に素粒子レベルで破壊されてしまうと考えられる[1]。一方、ブラックホールから離れた位置の観測者から見ると、物体が事象の地平面に近づくにつれて、相対論的効果によって物体の時間の進み方が遅れるように見える。よってこの観測者からは、ブラックホールに落ちていく物体は最終的に事象の地平面の位置で永久に停止するように見える。同時に、物体から出た光は赤方偏移を受けるため、物体は落ちていくにつれて次第に赤くなり、やがて可視光から赤外線、電波へと移り変わって、事象の地平面に達した段階で完全に見えなくなる。
ブラックホールの中心には、密度、重力が無限大である特異点がある。そこでは時空の性質を記述するアインシュタインの一般相対性理論が成り立たないため、特異点の性質その他を従来の物理学を用いて議論することはできない。
[編集] 理論史
ブラックホールの理論的可能性については、ニュートン力学の時代に先駆的な着想があった。1796年にフランスの政治家・数学者ラプラスは、アイザック・ニュートンの万有引力の理論を極限まで推し進めて、「物質が十分に集積すれば、その重力は光の速度でも抜け出せないほどになるに違いない」と予測した。また1783年にイギリスのジョン・ミッチェルも同様の論文を発表している。
現代的なブラックホール理論は、アルベルト・アインシュタインの一般相対性理論が発表された直後の1916年に、理論の骨子であるアインシュタイン方程式をカール・シュヴァルツシルトが特殊解として導いたことから始まった。シュヴァルツシルト解は、時空が球対称で自転せず、さらに真空であるという最も単純な仮定で一般相対性理論の厳密解を導くことで得られた。シュヴァルツシルト解には、原点の特異性と、シュヴァルツシルト半径における特異性がある。座標の取り方で後者の特異性は除去されることが後に分かったが、原点の特異点は物理的に残される。これがブラックホールであると認識されるようになったのは、1960年代のことである。
1930年代末、ロバート・オッペンハイマーは、当時の物理学界を賑わせていた中性子星存在の議論の中で、恒星が崩壊してできる中性子星の質量には上限があり、超新星爆発の後に形成される中性子の核の質量がその上限よりも重い場合、中性子星の段階にとどまることなくさらに崩壊するであろう、と、重力崩壊現象を予言した。しかし、オッペンハイマーはここまで研究を進めたところで、原子爆弾開発を目的とするマンハッタン計画に参画することとなり、彼はロスアラモス研究所の所長に任命された。それ以来、彼のブラックホール研究は途絶えたものと思われる。
1963年、ロイ・カーが軸の周りに一定の角速度で回転するブラックホールについての厳密解を導いた。カー解は、ブラックホール唯一性定理により、軸対称定常・真空かつ無限遠平坦という仮定のもとでのアインシュタイン方程式のただ一つの解であることが示されており、ブラックホール脱毛定理（無毛定理）の描像とあわせて、物理的に形成されるブラックホールの最終段階と考えられている。1973年に京都大学の冨松彰と佐藤文隆が発見したトミマツ・サトウ解はカー解を歪めたもので裸の特異点が存在する。そのため、物理的には生じないと考えられている。
なお、ブラックホールという名前は、ジョン・アーチボルト・ホイーラーが1967年に命名した。それまでは、コラプサー（崩壊した星）などと呼ばれていた。
[編集] 観測
このように、ブラックホールの存在は古い時代から予言されてきたが、当初はあくまで理論的な存在に過ぎず、サイエンス・フィクション、とくにハードSFの世界で小道具や大道具として用いられるのみであった。しかし1970年代に入るとX線天文学の発展によって、X線源が普通の恒星と連星を作っているX線連星が多数発見されるようになった。連星の公転周期を観測するとその星の質量を見積もることができ、またX線の明るさの変動のタイムスケールからX線源の大きさを推定できる。これによって、X線連星の一つであるはくちょう座X-1がブラックホールの有力な候補として初めて確定し、その後も同様の天体が発見されている。
1990年代になると、銀河中心部から放出される電波の観測や、我々の銀河系の中心近くの恒星の運動の長期にわたる追跡観測が行われ、これによって、数多くの銀河の中心部に太陽の数百万倍から数十億倍という大質量のブラックホールが存在することが確認されている。このことから、宇宙に無数に存在する銀河の大部分の中心核には超巨大ブラックホールがあると考えられている。
まだ理論上の結論であって実際に観測されてはいないが、ブラックホールを肉眼で確認しようとすると、ブラックホール自体は光を出さないために宇宙に黒い穴があるように見えるが、その周囲は重力レンズの影響によって星が集まっているように見えると言われている。
写真は、天の川を背景として、太陽の10倍の重さのブラックホールを600km離れた場所から見た場合のシミュレーション写真である。ブラックホール周囲は光がブラックホールに落ちていくために真っ暗に見えるが、その周囲は光が捻じ曲げられて、背景の星が集まって見える。
[編集] 誕生
ブラックホールは物質の進化のある枝の一端を成していると言ってもよい。ビッグバンにより始まった純粋なエネルギーであった宇宙が、やがて素粒子を生み出し、素粒子が結合して原子となる。宇宙初期には水素やヘリウムといった最も軽い元素が作られたと考えられている。
軽元素からなる雲は重力によって収縮し、中心部の圧力と温度が上昇して核融合が始まり、原始星となる。核融合が始まると熱的な膨張力が発生して重力による収縮に拮抗する効果を生む。熱による膨張と重力による収縮がつりあった時点で星は安定する。また、核融合によって放出される光子は星の表面から放出され、星は主系列星として明るく輝き始める。
恒星が核融合で水素を使い果たして主系列星の時代を終えると星は次の段階に変化する。主系列星の後にどのような過程を経るかは星の質量によって違ってくる（詳細は恒星進化論を参照のこと）。
- 質量が太陽程度から太陽の数倍までの星の場合には、主系列星の後に赤色巨星の段階を経て、星の外層部分を恒星風として周囲に放出して惑星状星雲を作る。星の中心部分は核融合でできた炭素・窒素・酸素などの元素からなる白色矮星となり、このまま次第に冷却して一生を終える。
- 質量が太陽の約8倍よりも重い星の場合は、巨星に進化した後も中心部で核融合によって次々に重い元素ができ、最終的に鉄からなる中心核が作られる。鉄の原子核は結合エネルギーが最も大きいため、これ以上の核融合反応は起こらず、星の中心部は熱源を失って重力収縮する。収縮が進むと鉄の原子核同士が重なり始め、陽子と電子が結合して中性子になって、やがては星の中心部がほとんど中性子だけからなる核となる。この段階では核全体が中性子の縮退圧によって支えられるようになるため、重力収縮によって核に降り積もる物質は激しく跳ね返されて衝撃波が発生し、一気に吹き飛ばされる。これが超新星爆発である。超新星爆発の後には中性子からなる核が中性子星として残される。残った中性子星が光やX線を激しく放出するパルサーとなる場合もある。
- 質量が太陽の約20倍以上ある星の場合には、自己重力が中性子の核の縮退圧を凌駕するため、超新星爆発の後も核が収縮（重力崩壊）を続ける。この段階ではもはや星の収縮を押しとどめるものは何も無いため、重力崩壊はどこまでも進む。こうしてシュバルツシルト面より小さく収縮した天体がブラックホールである。
[編集] 成長
ブラックホールに落ち込む物質は強力な潮汐力によって破壊され、ブラックホールを取り巻いて回転する降着円盤を作る。降着円盤の質量に比べてブラックホールの質量が十分に大きければ降着円盤を構成するガスは質点の周りのケプラー運動に近い差動回転をする。このため降着円盤のガスは粘性による摩擦を受けて加熱され、X線やγ線を放出する。同時に角運動量を失って次第に中心へ落ちていき、ブラックホールに呑み込まれる。ブラックホールのシュヴァルツシルト半径はブラックホールの質量に比例するため、ブラックホールが物質を呑み込んで質量が増えると事象の地平面（シュヴァルツシルト面）の半径も大きくなる。
[編集] 大質量ブラックホール
天の川銀河の中心部にあるブラックホールは、太陽の200万倍の質量を持った巨大な存在である。1995年には、銀河M106の中心に太陽質量の3600万倍の質量のブラックホールがあることが確認されている。同様にして、これまでに多くの銀河の中心部に106-8太陽質量の大質量ブラックホールの存在が確認されている。
しかし、このような大質量ブラックホールの起源についてはあまり良く分かっていない。1970年代後半に考えられていたシナリオは、巨大なガス雲が一気に収縮してブラックホールを作るという説、高密度の星団の中心部分が重力熱力学的に進化してブラックホールとなるなどといった説であったが、いずれも理論的・観測的な困難があった。しかも、通常の恒星進化の果てに生み出される恒星質量クラスのブラックホールと銀河中心に見られる大質量ブラックホールの中間的な質量を持つブラックホールがこれまで全く発見されず、両者の間に関係があるかどうかも不明であった。
しかし1999年から2000年にかけて、日本の研究者グループによる電波やX線での観測から、M82 銀河の内部に太陽質量の1000倍程度のブラックホールがあるらしいことが初めて明らかになった。これを受けて現在、以下のような大質量ブラックホールの形成シナリオが考えられている。
銀河どうしの近接遭遇や衝突などによって銀河内部で爆発的な星形成（スターバースト）が起こり、これによって若くて密度の高い星団が大量にできる。このような星団には重い星が大量に含まれるため、高密度な環境ではこのような星同士が合体してさらに大きな星となり、ますます合体しやすくなるという合体不安定という過程が進行する。こうして作られた重い星の寿命は非常に短いので早い時期に超新星爆発を起こし、太陽の数十倍から100倍の質量を持つブラックホールが誕生する。これらの合体によって103太陽質量程度の中間質量ブラックホールが星団内にでき、このような星団がいくつも銀河の中心に向かって沈む。沈む途中で星団自体は潮汐破壊され、中間質量ブラックホールが銀河中心にたまり、互いに合体して大質量ブラックホールとなる、というものである[2]。
さらに巨大なブラックホールは銀河同士の衝突により核である大質量ブラックホール同士の合体によって生じるのではないかと考えられており[3]、OJ287クエーサーで太陽の180億倍もの極めて大きな質量のブラックホールと、1億倍太陽質量のより小さなブラックホールの連星系が見つかったと発表されている[4]。
2005年にはチャンドラX線観測衛星によって M74銀河にも約10,000太陽質量という中間質量ブラックホールが発見されており、今後観測データが蓄積されることでこの仮説の妥当性が検証されていくものと考えられている[5]。
[編集] 蒸発
古典物理学においてはブラックホールはただひたすら周囲の物体を飲み込み質量が増大してゆくだけである。しかし、一般相対性理論に量子論を加えた理論を開拓したことで知られるホーキングは、ブラックホールから物質が逃げ出して最終的にブラックホールが蒸発する可能性を指摘した。その理論は以下の通りである。
量子力学ではエネルギーと時間は不確定性関係にあり、時空の微小な領域で粒子と反粒子の対生成・対消滅が絶えず起こっているとされる。ブラックホールの地平面の近傍でこのような仮想粒子対が生成すると、それらが対消滅する前に、片方の粒子（反粒子）がブラックホールの地平面内に落ち込み、もう一方の反粒子（粒子）が遠方へ逃げ去ることがある。反粒子（粒子）の運動は粒子（反粒子）が時間軸をさかのぼって運動していることと等価なので、粒子（反粒子）がブラックホールから時間軸をさかのぼりながら地平面に達し、地平面を通り抜けると時間軸を下りながら運動するとみなせる。すなわち粒子がブラックホールから地平面を通り抜けて飛び出してきたように見える。
この粒子の放出はブラックホールの地平面上で確率的に起こるため、巨視的にはブラックホールがある温度の熱放射で光っているように見える。これをホーキング輻射と呼ぶ。この輻射によってエネルギーを失うと（エネルギーは質量なので）ブラックホールの質量は減少する。ホーキング輻射の温度はブラックホールの質量に反比例するため、通常の恒星質量程度のブラックホールではこの効果は無視できるほど小さい。しかし、陽子質量ぐらいの微小なブラックホールではこの量子効果は無視出来ない。ホーキング輻射で質量が減るとさらにこの効果が強く働いて輻射の強度が増え、加速度的に質量とエネルギーを失い、最後には爆発的にエネルギーを放出して消滅する。これがブラックホールの蒸発である。この蒸発の最後のプロセスがガンマ線バーストとして観測されるとする説もある。我々の宇宙が閉じた系でない限り、極めて長い時間の間には全てのブラックホールは蒸発すると考えられている。
一方で、このようにブラックホールの蒸発が起こるとすると、次のようなパラドックスが生じる。質量 M のブラックホールに質量 m の物体が吸い込まれた後、ホーキング輻射によってブラックホールが質量を失って再び質量 M に戻るという過程を考える。ここで、ホーキング輻射は完全な熱放射であるため、その輻射は各時点でのブラックホールの質量から決まる温度以外に全く特徴がない。よって、最初に吸い込まれた質量 m の物体がトマトであってもオレンジであっても、最終状態は「質量 M のブラックホール+質量 m 分の光子」という全く同じ状態になる。つまり吸い込まれた物体についての情報は完全に失われてしまう。しかしこれでは初期状態が異なっているにもかかわらず同じ最終状態に達することになり、量子力学の時間発展のユニタリ性と矛盾する。このパラドックスは「ブラックホールの情報喪失問題」と呼ばれて長年議論されてきた。
これについて、2004年7月21日にホーキングは「ブラックホールに吸い込まれた物質が持っていた情報はブラックホールの蒸発に伴って何らかの形でホーキング輻射に反映され、外部に出てくる」という新説を発表し、従来の自説を修正した。
[編集] 地球上で極小型のブラックホール生成の可能性
2007年運転開始の加速器LHCで極小型のブラックホールの生成実験が予定されている。 余剰次元理論に基づく計算によれば、LHCの衝突エネルギー（7TeV（7テラ電子ボルト））で極小ブラックホールの生成が可能であるとされ、余剰次元理論の検証ができると期待されている。余剰次元モデルが正しくなければブラックホールは生成しないが、生成した場合、ホーキング放射によって，ブラックホールは直ちに蒸発すると考えられている。
落雷等に伴い極稀に発生・目撃されることのある球電現象を説明する、諸説ある理論(英語版)のひとつにブラックホール説が挙げられている。宇宙線に含まれる陽子等の荷電粒子が雷雲から生ずる電場により大気中で加速され、放射線量が上昇することが原子炉周辺の環境放射線モニタ等により観測されている[1]が、ブラックホールを生成するだけの衝突エネルギーに達し得るかどうかが先ず問われる説と言える。
1903年ロシアの森林上空で起きたツングースカ大爆発の原因を、小型ブラックホールが地球を通り抜けたものとする説が1973年テキサス大学の物理学者らにより提唱された。当時、彼等の説が広く支持されることはなかったが、その後のホーキング放射説により見直されている。[2]
[編集] ブラックホールを扱った作品
- 小説
- 『時間と空間の果て』（石原藤夫、徳間文庫） - 世界で最初期にブラックホール・ワームホール航法をSFに取り上げた短編作品。
- 惑星シリーズ（石原藤夫、ハヤカワ文庫）
- 『ブラックホール惑星』 - 数グラムしかない極小ミニミニ・ブラックホールが登場。ブラックホールのお茶漬けなどに利用。
- 『ホワイトホール惑星』 - ブラックホールとホワイトホールを並べた「白黒穴帆型推進システム」で光速を超える。
- 『さよならジュピター』（小松左京、ハルキ文庫） - 太陽系に衝突するブラックホールの軌道を、木星を利用して変更させようとする。映画化もされている。
- 『輝く永遠への航海』（グレゴリー・ベンフォード、ハヤカワ文庫） - 人間と機械の覇権をかけた戦い。ブラックホールに潜む生命が登場。
- 『ガイア』（ディヴィッド・ブリン、ハヤカワ文庫） - 極小ブラックホールが落下してしまい、地球は危機に瀕する。
- 『マッカンドルー航宙記』（チャールズ・シェフィールド、創元SF文庫） - カー=ニューマン・ブラックホールを偏愛する天才科学者の冒険。
- 『サイバーナイト 漂流・銀河中心星域』上下（山本弘、角川スニーカー文庫） - 超光速航法の事故で銀河中心核附近にジャンプした傭兵組織とバーサーカーとの戦い。
- 『ザ・サード～異界の森の夢追い人（プロメテウス）』 - 500億の人々を死に追いやった星喰らい（スター・イーター）と呼ばれる擬似ブラックホール生命体「プロメテウス」。これを危険視した種族が全く同じ4つの人工ブラックホールを使って脱出不可能な牢獄を生み出し、「プロメテウス」を封印した。
- 漫画
- アニメ
- 映画
- 『ブラックホール The Black Hole』（1979年アメリカ映画 ゲイリー・ネルソン監督）
[編集] 脚注
- ^ 地平面での潮汐力はブラックホールの質量による。銀河中心のブラックホールのような巨大なものの場合、潮汐力は意外に弱い。人間サイズの観測者が地平面を横切っても素粒子レベルで破壊されるようなことは起きない。
- ^ http://jun.artcompsci.org/~makino/papers/bhweb/bhweb-e.html より。
- ^ KECK LASER CAPTURES NEW VIEW OF DISTANT COLLIDING GALAXIES
- ^ Colossal Black Hole Shatters the Scales
- ^ http://chandra.harvard.edu/press/05_releases/press_032205.html より。
[編集] 関連項目
[編集] 外部リンク
- （百科事典）「Black Holes」 - スカラーペディアにある「ブラックホール」についての項目。（英語）
