ブラックホールほど「内側」と「外側」を明確に区別できる天体は存在しません。私たちは生きていて外を見ていますが、内部についての情報を提供してくれるプローブはありません。無線メッセージやロボット宇宙船を送信することはできますが、それらがブラック ホールの内部に侵入すると、それらの使者や、彼らに何が起こったのかについての情報を取り戻すことはできません.
ブラック ホールの境界は、その事象の地平線です。通常の意味での表面ではなく、物理的な障壁はありませんが、非常に現実的なものです。地平線の外では、物体が十分に速く動いていれば、ブラック ホールの引力から逃れることができます。内部では、光速よりも速く動く必要があり、これは自然の法則によって禁じられています。
意味のある意味で、ブラック ホールは その事象の地平線は、どの方法でもその内部を観察することはできないためです。内部は自然の最大の秘密であり、すべてを入れて何も出さない障壁に包まれています。
ブラック ホールをさらに謎めいたものにするために、一般相対性理論によれば、ブラック ホールは完全に特徴がなく、重力の仕組みを最もよく説明しています。それらは、星の死や宇宙初期の大量のガスの重力崩壊など、さまざまな状況から生まれた可能性がありますが、結果は同じです.吸い込まれて形成されるものの化学組成さえも関係ありません。ブラック ホールがより広い宇宙に示す唯一の特性は、その質量と回転速度です。
この結果は、「髪のない定理」として知られています。内部で何が起こっていても、イベントの地平線から「髪」は突き出ていません。 (この名前は著名な物理学者ジョン・アーチボルド・ウィーラーによって造られたもので、明らかに髪の生え際が後退することに敏感な人ではありません。) この定理は挑戦的な難問を提示します。ブラック ホールが実際にその自伝を削除し、その過去とその祖先の構成、または私たちがまだ知らない方法でそれを何らかの形で保存しています。その情報が破壊された場合、それは量子力学の原則の 1 つに違反しています。保存されている場合、一般相対性理論を超えた理論が必要です。
ブラック ホールの内部は、単にアクセスできない宇宙の領域ではありません。それは、最も極端な物理学の実験室です。最強の重力と最も強烈な量子プロセスです。そのため、物理学者は、自分の考えを検証できる直接的な実験や観察が行われていないことに不満を感じながらも、内部で何が起こっているのかを理解することに関心を持っています.
はげた事象の地平線に侵入することはできませんが、それはブラック ホールの内部について何も知らないという意味ではありません。ブラック ホールには、宇宙の別の領域 (ワームホール) や別の現実へのポータルが含まれていないことは確かです。また、ほとんどの物理学者は、ブラック ホールの内部を完全に説明するには、量子重力、つまり量子物理学と一般相対性理論を統合する理論、またはおそらく現在の重力モデルの修正版が必要になると合理的に確信しています。そのような理論の完全な構造は不明ですが、研究者はそれがどのように見えるかについていくつかのサムネイルスケッチを持っています.
Yakov Borisovich Zel’dovich、Jacob Bekenstein、そして特に Stephen Hawking によって 1 つのハイブリッド アプローチがまとめられました。重力の量子論を使わずに、粒子物理学と一般相対性理論を組み合わせて使用し、事象の地平線の温度がゼロではないため、非常にかすかにではあるが光っていることを示した。この輝きはホーキング放射として知られています。これは、パートナー粒子 (1 つの電子と 1 つの陽電子、光子のペアなど) が強い重力場で作成されるときに発生します。一方の粒子はブラック ホールに落ち、もう一方の粒子は脱出します。
ブラック ホールからのエネルギーが、新しく作成された粒子の質量の源であったため (E を介して) =MC )、ブラック ホールの質量は、粒子が逃げるたびにわずかに縮小します。残念ながら、私たちが見ているようなブラック ホールの場合、事象の地平線の温度は低いため、ホーキング放射はそれに対応して他の光源よりもはるかに微弱です。しかし、超低質量のブラック ホールが存在する場合、それらはホーキング放射によって明るく輝き、比較的急速に崩壊し、蒸発して何もなくなります。このようなブラック ホールの消失を見ることは、情報が本当に失われているのか、それとも事象の地平によって私たちから隠されているだけなのかという疑問に答えるのに役立つかもしれません.
興味深いことに、ホーキング自身は、少なくとも原理的には問題が解決されたと考えています。ホログラムが 2 次元の画像であっても 3 次元に関する情報を保持するのと同じように、ブラック ホールは飲み込んだ情報を保持します。ひも理論のアイデアに基づく彼の仮説は、私たちの 4 次元宇宙 (3 つの空間次元と時間) ではまだ機能せず、むしろ抽象的な高次元宇宙で機能します。その結果、ブラック ホールがその起源を忘れていないことに同意したとしても、誰もがホーキング博士の実証に納得しているわけではありません。
ホーキング放射はおそらく、実験室で見たことのない暗黒物質やグラビトンなどのエキゾチックな粒子を含む、あらゆる種類のもので構成されています。それは興味深い考えですが、ここでも自然は、小さなブラック ホールをまれにするか、おそらく存在しないようにすることで、それを研究しようとする私たちの最善の努力を残酷に妨害します。 するかもしれません より大きなブラック ホールからのホーキング放射を見ることができるのは、それが積極的に物質を食べていない場合と、ホールが非常に近くにある場合だけです。 (別のオプションは、実験室で小さなブラック ホールを作成することですが、新しいエキゾチックな種類の物理学がなければ、必要なエネルギーは私たちの手の届かないところにあります。)
非常に記憶に残る名前 V404 Cygni を持つ地球に最も近い既知のブラック ホールは、約 8,000 光年離れています。これは宇宙的には髪の毛の幅にすぎませんが、間近で研究することはできません。 (比較のために、ボイジャー 1 号 — 人類が作った最も遠い探査機 — は 17 光時間強です) 最も近い超大質量ブラック ホール (太陽の質量の 100,000 倍を超えるもの) はさらに遠くにあり、26,000 光年です。それは射手座 A* (「星」と発音) として知られる、天の川の中心にある怪物です。
はくちょう座 V404 のようなブラック ホールは、周囲の物質によって確認できます。たとえば、伴星から剥ぎ取られた物質は、ブラック ホールを周回するときに加熱され、強力な X 線と電波放射を放出します。昨年行われた高解像度観測のおかげで、天文学者は銀河 M87 の巨大なブラック ホールに非常に近い軌道で渦巻くガスを測定しました。そして、いて座 A* の近くの星とプラズマのダンスは、私たちの銀河を一緒に保つのに役立つブラック ホールの存在を明らかにしています。
継続的な改善により、ブラック ホールのより良いビューを得ることができ、事象の地平線にますます近づくことができます。それでも、自然はブラック ホールの内部にあるものの謎を、おそらく永遠に隠しています。
マシュー フランシスは、物理学者、サイエンス ライター、講演者、教育者であり、おしゃれな帽子を頻繁にかぶっています。
この記事は、2013 年 10 月にブログ Facts So Romantic に掲載されたものです。
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