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星コラム「ブラックホールついて」

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(C)NASA/はくちょう座X-1

🌟宇宙の謎の中でも色々と説明するのが難しいものの一つが、

「ブラックホール」ではないでしょうか。

研究が進んで、確認できているブラックホールも増えてきていますが、

存在が確認できても中々矛盾を解決するには、まだ道のりの長い問題です。

今回はそんな「ブラックホール」を一般的なところをすこし紹介します。

ブラックホールってどんなもの?

そもそも、「ブラックホール」はどんなものかというと、

全ての質量が中心に集まった重力がとても強い天体のことです。そして、その内部

からは光さえも、脱出することができないほどです。

かなり昔の宇宙アニメなどではブラックホールに吸い込まれることで、敵を倒す

的なシュチュエーションとしてありましたが、その頃現実でも、理論上の産物で

した、現在は観測技術の発達により、実在が確実視されています。

ブラックホールは、強い重力であらゆる物質を底なし沼のように吸い込んで、

光さえも吸い込み、決して外には逃しません。光さえ逃がさない空間を

「ブラックホール」と呼びます。

昔は理論上の産物

ブラックホールはアインシュタインの一般相対性理論から予言されていました。

実際に予言したのは、ドイツの数学者カール・シュバルツシルト(1876~1916)で

す。シュバルツシルトは、構成の質量を狭い領域に集中させてゆくと、ある限界を

超えた時に、その内部から光さえも脱出できないほどの重力が強くなる領域が

できると考えました。

この光すら脱出できなくなる球状の領域の境界を「事象の地平面」と呼び、

その球の半径は「シュバルツシルト半径」と呼ばれています。

また、事象の地平面の中心には、重力と密度が無限大の「特異点」が現れます。

特異点では全ての物理法則が成り立たなくなります。観測もできない時代では、

理論上で予測できても、存在を肯定することはできませんでした。

見えないブラックホールをどうやって見つけるのか?

「ブラックホール」というのは「黒い穴」と言われるように、光さえも吸収され、

抜け出せない強い重力を持つ天体(領域)のことです。

光を飲み込み、光を出さない天体をどう観測するのでしょうか?

現在、見つかっているブラックホールは、厳密に言えばブラックホールの、

候補天体というものです。これらは数多く見つかっています。

これらの天体は「黒い穴」を直接観測している訳ではありません。

ブラックホールの重力の影響を受けた、周囲のガスや恒星などを観測するとこで、

間接的にブラックホールの存在を明らかにしています。

周りの恒星を観測して間接的に探す点は、自ら光らない太陽系外惑星の場合と

少し似ていますね。

「はくちょう座X-1」の場合

夏の星座の「はくちょう座」にある「はくちょう座」X-1というブラックホールは

すぐそばに巨大な恒星の青色超巨星が存在しています。ブラックホールと恒星は、

互いの周囲を回る連星系を形成しています。

恒星のガスは、ブラックホールの重力に引き寄せられ、ブラックホールの周囲に

「降着円盤」と呼ばれる構造を作ります。「降着円盤」はガス同士の摩擦によって

加熱され、数百万度といった高温になり、その時放たれるX線などの光(電磁波)

を、観測することで、「はくちょう座」X-1の存在が明らかになりました。

また、ブラックホールの周囲の天体の運動を詳しく調べることで、その天体に

重力を及ぼしているブラックホールの質量などを知ることもできます。

(C)NASA/はくちょう座X-1

いて座Aスターの場合

「いて座Aスター」にあるのは超大質量ブラックホールで、天の川銀河の中心に

あるとみられています。この「いて座Aスター」に照準を当てて電波望遠鏡での

観測を試みている国際チームがあります。

直径1万キロのアンテナで、ブラックホールの影を撮影しようとしています。

吸い込まれるガスが発する電波を捉え、高精細の画像に置き換える手法は、

今までの恒星による間接的な手法とは違い、推定でない直径や質量が正確に計算

できるとして期待されています。

ブラックホールの数は?

ブラックホールは、超新星爆発を起こした恒星の中心部が、自らの重力で

「潰れる」ことによって作られます。

恒星質量ブラックホール 元の恒星が太陽の20倍程度以上の質量を持つ場合に、超新星爆発を起こした後にブラックホールができると考えられています。この時にできるブラックホールの質量は、太陽の質量の5~15倍程度で、半径は15~45km程度です。
超大質量ブラックホール 太陽の100万倍〜数十億倍程度の質量を持ちます。ブラックホールの半径は、ブラックホールの中心に集中している質量に比例するので、例えば、天の川銀河の中心で太陽の約400万倍の質量を持つものが存在していますが、このブラックホールの半径は約1200万kmということになります。
中間質量ブラックホール 2000年ごろから超大質量ブラックホールと恒星質量ブラックホールの中間の質量のブラックホールが見つかってきています。このようなブラックホールは銀河中心の超大質量ブラックホールがどのようにして形成されるかの鍵を握る存在として注目されています。

恒星の進化の理論を考慮して、天の川銀河には4億個程度ブラックホールが存在

する計算になるようです。

他の銀河にも、同様に多数のブラックホールが存在しているようです、その中でも

超大質量ブラックホールのほとんどは銀河の中心に存在すると考えられていますが

その形成過程は未解明で、現在も研究が進められています。

(C)国立天文台/中質量ブラックホールによる重力散乱でガス雲が加速される様子の想像図

ブラックホールに吸い込まれたら?

素朴な疑問として、光さえも抜け出せないブラックホールですが、いざ吸い込まれ

てしまったらどうなってしまうのでしょうか。。。

ブラックホールにはいくつかタイプがあり、落下の仕方が違っています。

中でも一番単純タイプの場合で考えてみます。

「事象の地平面」を超えて一旦、吸い込まれると、まっすぐ中心の「特異点」に

向かって落下します。この時、ブラックホールの中心に向かって重力が増すので、

吸い込まれた機体の向きによって、大きな重力差が生じます。これを「潮汐力」と

いい、太陽や月の重力によって生じる潮の満ち引きと同じ原理です。

ブラックホールに落ちてしまった場合、潮汐力が落下する物質を引き伸ばして

しまい、最後には粉々にしてしまいます。潮汐力の大きさは、ブラックホールの

大きさによって異なります。意外にも、小さなブラックホールほど、潮汐力が

大きのです。

例えば、太陽の質量程度の小さなブラックホールは、事象の地平面に吸い込まれる

時点で、潮汐力は地球表面の1兆倍にもなります。物質はパスタのように細く引き

伸ばされてしまいます。

一方、巨大ブラックホールでは、事象の地平面の潮汐力は小さいので、吸い込まれ

た時点では何も変わったことが起きません。ブラックホールに吸い込まれたことに

も気がつかないでしょう。

ですが中心の特異点に近づくにつれ、段々と重力が増してゆき、次第に引き伸ばさ

れるような力を感じます。最後には中心付近で、小さなブラックホールの時と

同じく、パスタのように細く引き伸ばされ、粉々になってしまうことでしょう。

ですが、現在の物理学では、特異点に落ちた物質が、どうなるかはわかっていま

せん。

ブラックホールのその後

ブラックホールは物質をどんどん吸い込みます、この時にブラックホールは蒸発

もしています。この蒸発というのは、質量を減らしながら、光など様々な素粒子を

放出する現象です。

ブラックホールは、周囲から物質を飲み込み、質量を増やし続けると考えられて

います。しかし、物質を飲み込み尽くして、周囲に何もなくなってしまったら、

蒸発によって、ゆっくりと小さくなってゆくというのです。

蒸発にかかる時間は、質量の大きいブラックホールほど長くなります。太陽ほどの

質量のブラックホールで、およそ10の50乗年ほどかかると計算されています。

太陽の10兆倍の質量の巨大ブラックホールなら、およそ10の100乗年という時間

が必要となる計算です。

ちなみに10の100乗年は1の後に0が100個並んだ数字です。現在の宇宙の年齢を

同じ形式で表すと、10の10乗年で、いかにブラックホールの蒸発時間が長いか

わかりますね。

このブラックホールの蒸発は、質量が小さいほど激しいものとなります。という

ことは、初め大きな質量のブラックホールでも、質量が少なるににつれ、次第に

激しい蒸発へと変化してゆきます。最後の消滅の段階では、蒸発というよりも、

爆発というほどのものが予測されています。

ホーキング博士に感謝します。

ホーキング博士の訃報を14日のニュースで聞いた時には、夕食の洗い物をしていました。お会いした事がなくても、泣いてしまいました。ゴム手袋をしたままだったので、拭うこともできずに、後から後からポロポロ溢れてくる涙が、自分でも不思議でした。宇宙に関心のある方は、ホーキング博士のことを、ご存知の方も多いでしょうが、このページがかけるのも、ホーキング博士のおかげです。実はブラックホールの記事は、書くのをためらうような内容だったので、少し躊躇しました。ですが虫の知らせのようなタイミングで、ブラックホールについて書かせて貰ったのは不思議な気がしています。ホーキング博士は私を知りません。私個人の勝手な思いですが、ブラックホールの存在を信じて、見えない存在を見つめ続けたように、宇宙好きの小さな存在が世界の何処かにいることは確信していた方です。そんな小さな存在に語りかけるような、研究内容ばかりです。うまく言葉で表現できませんが、アインシュタインよりも身近な感じなのです。さらに未来に向かって宇宙理論が進んでゆくことで、ホーキング博士も生き続けるそんな気がします。ご冥福を心よりお祈り申し上げます。

まとめ

ブラックホールについてまとめました。

ブラックホールは当初は、仮定のものでしたが、観測技術が進んので、実在する

ことがわかっています、その観測方法も進歩してきて、間接的な観測の時代から

現在では直接的な観測の時代へ突入してきました。

実際に直接にはまだ観測されていませんが目の前まできているようです。

色々と研究されている方々に感謝しつつ、成果を待ちたいと思います。

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