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星コラム「もう少し知りたいブラックホールについて」

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(C)NASA

謎の多いブラックホールですが、今回は素朴な疑問を少し紹介します。

少しでも宇宙に興味が持てたらいいなと思っています。

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。この空間を「ブラックホール」と呼びます。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。



ブラックホールについて

🌟ブラックホールは、近くものすべてのみ込んでしまう天体です。その重力はあま

りに強く、光さえも逃れられません。ブラックホールの成り立ちは、巨大な恒星が

燃料を使い果たすと、その核が圧倒的な重力に逆らえずに押しつぶされ、中心に向

かって落ち込む結果、ブラックホールになります。

中心は密度が無限大となり「特異点」と呼ばれ、周囲は「事象の地平線」と呼ばれ

る領域に取り囲まれています。この領域はブラックホールの元となる恒星の質量に

比例します。

事象の地平線はブラックホールの表面にあたり、その内部からの脱出が出来ない

境界になります。

時間が止まって見えます

ブラックホールに近づくほど、時間が遅くなって見え、ブラックホールの境界面

(事象の地平線)では時間が止まり、物体が張り付いて見えます。これは、重力に

よる時間の遅れの効果によるものです。

また、ブラックホールの近くから放たれる光は、強大な重力によって引き伸ばさ

れ、波長が長くなります。可視光で波長の長いほど赤くなるので、ブラックホール

に近く物体を見ると赤くなっていることでしょう。

向こうの天体が見えます。

ブラックホールの強大な重力は、近くを通る光を曲げてしまいます。これによっ

て、ブラックホールの向こう側にある天体からの光が回り込んで、集められ、天体

は大きく歪められて見えます。これを重力レンズ効果と呼んでいます。

背中側の星が見えます

ブラックホールは強大な重力で、光を曲げます。そのため、ブラックホールに背中

を向けて空を見上げたとすると、背後からの光も曲がって、目に届くことになりま

す。人は曲がって届いた光でも、前方からまっすぐ届いた様に、認識してしまうの

で、全天が狭い領域に集中して、見えることになります。

光をのみ込んでしまいます。

強大な重力で、自然界の最高速度を持つ、光すら吸い込みます。吸い込まれた光

は、出てこられないので、ブラックホール自体は、光を放たず、「黒い穴」の様に

見えると考えられています。

(C)NASA

ブラックホールの種類

ブラックホールの性質を決めるものは「質量」「回転(自転)」「電荷」の3つで

す。質量がないブラックホールは存在しないので、回転と電荷の有無によって、

ブラックホールは4種類に分けることができます。

シュパルツシルト・ブラックホール 回転なし・電荷なし 最も単純で、静止した球体のブラックホールです。シュパルツシルトが一般相対性理論を使って、星の内部や表面近くの重力を計算する式を導く際に、計算を単純化するために、回転も電荷も無い星を想定して、求められました。
カー・ブラックホール 回転あり・電荷なし 回転している、球状のブラックホールで、自転の速度が大きくなると級の半径が小さくなります。外側と内側に二つの地平面があり、外側の地平面のさらに外側には「エルゴ領域」と呼ばれる部分があります。また、回転しているので、中心の特異点はリング状になります。
ライスナー=ノルドシュトロム・ブラックホール 回転なし・電荷あり  電荷を持つブラックホールは、電荷を持った物質を重力破壊させる必要があります。ですが、ブラックホールになる前に電気力が働いて反発し、跳ね返されてしまうので、電荷を持ったブラックホールは出来にくいと考えられています。
カー=ニューマン・ブラックホール 回転あり・電荷あり

宇宙で最も一般的なのは「回転あり・電荷なし」のカー・ブラックホールだと考え

られています。

ブラックホールに落ちたらどうなるのか?

🌟シュパルツシルト・ブラックホールに落ちてしまった場合で考えてみます。

事象の地平面を超えて、一度吸い込まれると、まっすぐ中心の特異点に向かって、

落下します。

その時、ブラックホールの中心に、近づけば近づくほど、重力が強くなるので、

物体の先端部と後方部とでは、受ける重力に、大きな差が出てきます。これは、

潮汐力という、太陽や月の重力によって潮の満ち引きが、あるのと同じ原理です。

ブラックホールの場合、潮汐力が落下する物質を、引き伸ばしてしますので、最後

には粉々になってしまいます。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。

一方で、銀河の中心にある、巨大なブラックホールの場合は、半径3000億kmとす

ると、事象の地平面の潮汐力は、地球表面の1000万分の1程度なので、何も感じ

ず、吸い込まれたことに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、重力が強くなるので、最後は引き伸ばされ

て、粉々になってしまうでしょう。

ブラックホールについて、もう少し知りたいなという視点で、まとめました。よくわからない天体だけに、謎が多いのですが、色々と研究されている分野でもあるので、興味深い話題ばかりですね。

まとめ

🌟ブラックホールについて、「もう少し知りたいこと」をまとめました。

謎の多いブラックホールですが、研究は日々進んでいます。理論上の話から、

ブラックホールの候補天体が、たくさん見つかるほどになってきました。

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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