ブラックホールとはどのような天体ですか？ブラックホールはどのようにして形成されるのですか？

宇宙には知られざる秘密が多すぎます。その中でも、ブラックホールの存在は、常に人々に果てしない空想を抱かせます。ブラックホールとはどのような天体でしょうか？ブラックホールはどのようにして形成されるのでしょうか？ホワイトホールとは何でしょうか？どのようにして発生したのでしょうか？興味のある読者は、Interesting Historyの編集者をフォローして、詳しく知ることができます。

ブラックホールとは何ですか？

ブラックホールは、現代の一般相対性理論において、宇宙において無限の密度と無限に小さい体積を持つ天体です。ブラックホールに遭遇すると、すべての物理定理が無効になります。ブラックホールは、核融合反応の燃料が枯渇して質量の大きい恒星が死に、重力による崩壊が起こるときに形成されます。

ブラックホールの質量は極めて大きいが、その体積は非常に小さい。ブラックホールが作り出す重力場は非常に強く、ブラックホールの事象の地平線（臨界点）に入ると、いかなる物質や放射線も脱出できない。最も速い伝播速度として知られる光（電磁波）でさえ脱出できない。

ホワイトホールとは何ですか? それはどのようにして発生したのですか?

ブラックホールは直接観測することはできませんが、その存在と質量は間接的に知ることができ、他のものへの影響を観測することができます。ブラックホールの存在に関する情報は、吸い込まれる前の物体が高熱で放出する紫外線やX線の「エッジ情報」を利用することで得られる。ブラックホールの存在は、星や星間雲の軌道を間接的に観測してその位置と質量を知ることでも推測できます。科学者の最新の研究理論によれば、ブラックホールが消滅すると「ホワイトホール」になる可能性があるという。ブラックホールは周囲の物質をすべて飲み込むが、ホワイトホールはブラックホールがそれまで捕らえていた物質をすべて放出する。

「ブラックホール」という名前は常に人々の想像力を刺激します。では、ブラックホールとは一体何なのでしょうか?

名前の最初の単語「黒」は、外界に光を放射または反射せず、最長波長の電波であろうと最短波長のガンマ線であろうと、他の形態の電磁波を放射または反射しないことを示しています。だから人には見えず、完全に「黒」なのです。 2番目の「穴」は、一度その境界に入ったものは二度と抜け出すことができないという意味です。まさに「底なしの穴」のようです。

超巨大なサーチライトをブラックホールに向ければ、ブラックホールは現れないだろうか？と思う人もいるかもしれません。違います！ブラックホールに向けられた光がどんなに強くても、反射することなくブラックホールに「飲み込まれ」てしまいます。この「底なしの穴」は、相変わらず暗いままです。

この不思議な天体を「ブラックホール」と呼ぶのは本当に素晴らしいことです。ブラックホールは科学者が一夜にして突然思いついたものではありません。 1798年という早い時期に、フランスの科学者ラプラスは、ニュートンによって確立された力学理論に基づいて、「地球のような直径と太陽の250倍の密度を持つ明るい星は、その重力のためにその光は地球にまったく届かないだろう」と推測しました。

これは何を意味するのでしょうか? まずは宇宙船から始めましょう。宇宙船が地球の重力から逃れて惑星間空間に入るには、その速度が少なくとも 11.2 km/s に達する必要があり、そうでなければ地球の重力の制御から逃れることはできません。この 11.2 km/s の速度は、あらゆる物体が地球の重力場から「脱出」するために必要な最小速度であり、地球の「脱出速度」と呼ばれます。

太陽の重力は地球の重力よりもはるかに強いため、太陽の脱出速度も地球の618 km/sよりもはるかに大きくなります。さらに、天体の脱出速度が光速に達すると、光でさえそこから脱出できなくなります。そのような天体がブラックホールであり、ラプラスが言及した星はその鮮明な例です。光は宇宙で最も速いものです。光でさえブラックホールから脱出できないので、他の何ものも脱出できません。

科学の発展に伴い、ブラックホールに対する人々の理解はますます深まっています。現在、ブラックホールに関するより正確な説明は、「ブラックホールは一般相対性理論によって予測される特別な天体です。その基本的な特徴は、ブラックホールの「事象の地平線」と呼ばれる閉じた境界があることです。外部の物質と放射線は事象の地平線に入ることができますが、事象の地平線内のものは外部に逃げることができません。」ブラックホールは「中に入るだけで外に出ることはなく、飽くことを知らない」ため、「宇宙で最も利己的な怪物」という不謹慎なニックネームが付けられています。

しかし、物事はそれほど単純ではありません。人々の予想に反して、ブラックホールと呼ばれるこの「怪物」は、時には非常に「寛大」になることがあります。一体何が起こっているのでしょうか? 1970年代、イギリスの科学者スティーブン・ホーキングらが量子力学に基づいてブラックホールのより徹底的な調査を行い、ブラックホールが「蒸発」のように粒子を着実に放出していることを発見しました。この「蒸発」を考慮すると、ブラックホールはもはや絶対的に「黒」ではなくなります。

ホーキング博士はまた、すべてのブラックホールには一定の温度があり、ブラックホールの質量が小さいほど温度が高くなり、ブラックホールの質量が大きいほど温度が低くなることを証明しました。大きなブラックホールの温度は非常に低く、その蒸発は非常に弱いです。一方、小さなブラックホールの温度は非常に高く、その蒸発は非常に激しく、激しい爆発に似ています。太陽と同じくらいの質量を持つブラックホールが完全に蒸発するには地球の約 1 年かかります。しかし、小惑星と同等の質量を持つ小さなブラックホールは、わずか 1 秒で完全に蒸発します。

ブラックホールはどのように形成されるのでしょうか？ブラックホールの進化の過程とは？

1. 2つのブラックホールが互いを飲み込む

ブラックホールは、無限の密度、無限の時空曲率、無限に小さい体積、そしてその周囲に空の領域の一部を持つ特異点です。この空領域の範囲内ではブラックホールは見えません。アルバート・アインシュタインの相対性理論によれば、死にゆく星が崩壊すると、一点に収束してブラックホールとなり、宇宙の周囲の領域にあるすべての光と物質を飲み込むことになる。

ブラックホールの形成過程は中性子星の形成過程と似ています。星が死にそうになると、その中心核が自身の重力の影響で急速に収縮して崩壊し、強力な爆発を引き起こします。中心核の物質がすべて中性子に変わると、収縮プロセスは直ちに停止し、内部の空間と時間も圧縮されながら、高密度の恒星体に圧縮されます。

しかし、ブラックホールの場合、星の中心核の質量が非常に大きいため、収縮が際限なく続くため、中性子自体が重力の力で粉々にされ、想像を絶する密度の物質が残ります。その高い質量によって発生する重力により、近づく物体はすべて吸い込まれてしまいます。

これは簡単に理解することもできます。通常、星には最初は水素元素しか含まれておらず、星の内部にある水素原子核は常に互いに衝突して融合しています。星の質量は非常に大きいため、核融合によって生成されるエネルギーは星の重力に対抗し、星の構造の安定性を維持します。水素原子核の融合により新しい元素であるヘリウムが生成されると、ヘリウム原子も融合に参加し、その構造が変化してリチウムが生成されます。

そして、周期表の順番に従って、ベリリウム、ホウ素、炭素、窒素などの元素が順に生成され、最後に鉄が生成され、星は崩壊します。これは、鉄が非​​常に安定しており、核融合を起こしてもエネルギーを放出しないのに、恒星の中に存在するためです。

これにより、星の内部には巨大な星の重力に対抗するのに十分なエネルギーがなくなり、星は崩壊して最終的にブラックホールを形成します。密度が無限大で、その結果生じる重力によって周囲の光が逃げることができないため、「黒」と呼ばれています。中性子星と同様に、ブラックホールは太陽の何十倍、あるいは何百倍もの質量を持つ星から進化します。

星が老化するにつれて、熱核反応によって中心の燃料が枯渇し、中心で生成されるエネルギーはそれほど多くなくなります。こうなると、もはや殻の巨大な重量を支えるだけの強度がなくなります。したがって、外殻の強い圧力により、中心核が崩壊し始め、物質は容赦なく中心点に向かって移動し、最終的には体積が無限小に近く、密度がほぼ無限大の星を形成します。半径がある程度（シュワルツシルト半径より確実に小さくなる）まで縮小すると、質量によって時空の歪みが生じ、光さえも外に放射できなくなり、「ブラックホール」が誕生します。

2. ブラックホールは星を引き裂き、飲み込む

ブラックホールは通常、周囲にガスを集める際に放射線を発生することから発見されます。このプロセスは降着と呼ばれます。高温ガスの熱エネルギー放射効率は、降着流の幾何学的および動的特性に重大な影響を及ぼします。放射効率の高い薄いディスクと放射効率の低い厚いディスクが観測されています。集積ガスが中心のブラックホールに近づくと、そのガスが発する放射線はブラックホールの回転と事象の地平線の存在に極めて敏感になります。降着するブラックホールの明るさとスペクトルの分析は、回転するブラックホールと事象の地平線の存在の強力な証拠を提供します。数値シミュレーションでは、ブラックホールの集積時に頻繁に現れる相対論的ジェットも、ブラックホールの回転によって部分的に駆動されていることも示されています。

天体物理学者は、中心の重力体または中心の拡張物質系に向かう物質の流れを説明するために、「集積」という言葉をよく使用します。集積は天体物理学において最も一般的なプロセスの 1 つであり、私たちの周囲にある多くの一般的な構造が形成される理由でもあります。初期の宇宙では、暗黒物質によって作られた重力ポテンシャル井戸の中心に向かってガスが流れることで銀河が形成されました。

今日でも、星はガス雲が自身の重力によって崩壊してばらばらになり、その後周囲のガスを集めることで形成されます。惑星（地球を含む）も、新しく形成された恒星の周囲にガスと岩石が蓄積することで形成されます。中心天体がブラックホールであるとき、集積は最も壮観になります。ブラックホールは物質を集積するだけでなく、ホーキング蒸発過程を通じて粒子を外向きに放射します。

3. 蒸発

ブラックホールの密度は非常に高いため、式によれば、密度 = 質量/体積であることがわかります。ブラックホールの密度が無限大になるためには、ブラックホールの体積が無限に小さく、質量が無限に大きくなければならず、そうして初めてブラックホールになることができます。ブラックホールは、いくつかの星が「死んだ」後に形成される死んだ星です。質量は非常に大きく、体積は非常に小さいです。しかし、ブラックホールもいつかは死にます。ホーキングの理論によると、量子物理学には「トンネル効果」と呼ばれる現象があり、つまり、粒子の場の強度分布は、エネルギーの低い場所では強くなろうとしますが、非常にエネルギーの高い場所でも場の強度は依然として分布します。ブラックホールの境界にとって、これは非常に高いエネルギーを持つポテンシャル障壁ですが、粒子はまだ外に出ることができます。

ホーキング博士はまた、すべてのブラックホールには一定の温度があり、その温度はブラックホールの質量に反比例することを証明した。つまり、大きなブラックホールは温度が低く蒸発が弱いのに対し、小さなブラックホールは温度が高く蒸発が強く、激しい爆発に似ています。太陽と同等の質量を持つブラックホールが完全に蒸発するには約 1x10^66 年かかります。一方、小惑星と同等の質量を持つブラックホールは 1x10^-21 秒以内に完全に蒸発します。

4. 破壊

ブラックホールは明るく光ったり、小さくなったり、さらには爆発したりすることがあります。 1974年にイギリスの物理学者スティーブン・ホーキングがこの予測をしたとき、科学界全体が衝撃を受けた。ホーキングの理論は、一般相対性理論と量子論を組み合わせた飛躍的な発想であり、ブラックホールの周囲の重力場がブラックホールのエネルギーと質量を消費しながらエネルギーを放出することを発見した。

一対の粒子がいつでもどこでも生成されると仮定します。生成される粒子は正粒子と反粒子であり、この生成プロセスがブラックホールの近くで発生すると、2 つの粒子が消滅し、1 つの粒子がブラックホールに吸い込まれるという 2 つの状況が発生します。 「粒子がブラックホールに吸い込まれる」状況：ブラックホールの近くで生成された粒子のペアでは、エネルギーは薄い空気から生成できないため、反粒子の 1 つはブラックホールに吸い込まれ、正粒子は逃げます。

反粒子は負のエネルギーを持ち、正の粒子は正のエネルギーを持っていると仮定すると、反粒子のすべての運動過程は正の粒子の反対の運動過程とみなすことができます。たとえば、反粒子がブラックホールに吸い込まれることは、正の粒子がブラックホールから逃げ出すこととみなすことができます。この状況は、ブラックホールから正のエネルギーを運ぶ粒子が逃げ出す、つまりブラックホールの総エネルギーが減少することであり、アインシュタインの公式 E=mc^2 は、エネルギーの損失が質量の損失につながることを示しています。

ブラックホールの質量が小さくなるにつれて、その温度は高くなります。したがって、ブラックホールが質量を失うと、その温度と放射率が上昇し、質量の損失が速くなります。この「ホーキング放射」は、ほとんどのブラックホールでは無視できるほど小さい。なぜなら、大きなブラックホールは比較的ゆっくりと放射するのに対し、小さなブラックホールはブラックホールが爆発するまで極めて高い速度でエネルギーを放射するからである。