1916 年 1 月、ドイツの物理学者で、東部戦線に兵士として駐留していたカール シュヴァルツシルトは、一般相対性理論の方程式に対する最初の正確な解を生み出しました。一般相対性理論は、長い間理解されてきた引力としてではなく、曲がった空間と時間の効果として重力を描写しました。 Schwarzschild の解は、静止した物質の球の周りの時空の曲率を明らかにしました。
興味深いことに、シュヴァルツシルトは、この物質が十分に小さい半径内に閉じ込められている場合、中心に無限の曲率と密度の点、つまり「特異点」があることに気付きました.
物理学で発生する無限大は、通常、警告の原因となります。この兵士の結果を知ったアインシュタインも、シュヴァルツシルト自身も、そのような物体が実際に存在するとは信じていませんでした。しかし、1970 年代以降、宇宙にはこれらのエンティティの群れが含まれているという証拠が増えました。ブラック ホールと呼ばれるのは、その重力が非常に強いため、中に入るものは何も、光さえも出てこないからです。それ以来、ブラック ホール内の特異点の性質は謎のままです。
最近、ハーバード大学のブラック ホール イニシアチブ (BHI) に所属する研究者チームが、このパズルに大きな進歩をもたらしました。ポール・チェスラー、ラメシュ・ナラヤン、エリック・キュリエルは、天文学者が研究したものと似た理論上のブラック ホールの内部を調査し、内部にどのような特異点があるかを突き止めようとしました。特異点とは、量が実際に無限になる場所ではなく、「一般相対論が崩壊する場所」であると Chesler は説明しました。そのような時点で、一般相対性理論は、まだ知られていないより正確な量子スケールの重力記述に道を譲ると考えられています。しかし、アインシュタインの理論が混乱する可能性のある 3 つの異なる方法があり、3 つの異なる種類の特異点が生じる可能性があります。 「一般相対性理論が破綻する時期と場所を知ることは、その先にある [量子重力の] 理論を知るのに役立ちます」と Chesler 氏は述べています。
BHIグループは、1963年に数学者ロイ・カーが回転するブラックホールのアインシュタインの方程式を解いたときに達成された大きな進歩に基づいて構築されました.Schwarzschildが取ったものよりも現実的な状況で、宇宙の事実上すべてが回転しています.この問題はシュヴァルツシルトの問題よりも困難でした。なぜなら、回転する物体は中心に膨らみがあり、球対称性に欠けているからです。カーの解は、回転するブラック ホールの外側の領域を明確に記述しましたが、その内部は記述しませんでした。
カーのブラックホールは、物質のない空間を占めていたため、まだいくらか非現実的でした. BHIの研究者は、これが溶液を不安定にする効果があることに気づきました。粒子が 1 つでも追加されるだけで、ブラック ホールの内部の時空間ジオメトリが大幅に変化する可能性があります。彼らのモデルをより現実的で安定したものにするために、彼らは「基本スカラー場」と呼ばれる特別な種類の物質を理論上のブラック ホールとその周囲にまき散らしました。元のカーの解決策は常にそこにある「永遠の」ブラック ホールに関するものでしたが、彼らの分析におけるブラック ホールは、宇宙に豊富に存在するもののように、重力崩壊から形成されました。
最初に、Chesler、Narayan、および Curiel は、基本的なスカラー場での物質の重力崩壊から形成された帯電した非回転の球状ブラック ホールで方法論をテストしました。彼らは、2 月に科学プレプリント サイト arxiv.org に投稿された論文で、調査結果を詳しく説明しました。次に、Chesler は同様に形成された回転ブラック ホールに関するより複雑な方程式に取り組み、3 か月後に単独での結果を報告しました。
彼らの分析は、両方のタイプのブラック ホールが 2 つの異なる種類の特異点を含むことを示しました。ブラック ホールは、イベント ホライズンと呼ばれる球体に包まれています。物質や光がこの目に見えない境界を越えてブラック ホールに入ると、それは逃げることができません。事象の地平線の内側では、荷電された静止および回転するブラック ホールが、内側の地平線と呼ばれる戻りのない 2 番目の球面を持っていることが知られています。 Chesler と彼の同僚は、彼らが研究したブラック ホールについて、内側の地平線に必然的に「ヌル」特異点が形成されることを発見しました。これは、以前の結果と一致する発見です。物質と放射線は、ブラック ホールの寿命のほとんどの間、この種の特異点を通過することができますが、時間が経つにつれて、時空の曲率は指数関数的に大きくなり、「無限に遅い時間で無限になります」と Chesler は説明しました。
物理学者たちは、準現実的なブラック ホールに中心特異点があるかどうかを知りたいと考えていました。この事実は、単純なシュヴァルツシルト ブラック ホールでのみ確実に確立されていました。そして、中心特異点がある場合、それが「空間的」か「時間的」かを判断したかったのです。これらの用語は、粒子が空間的な特異点に近づくと、一般相対性理論の方程式を時間的に進化させることができないという事実に由来します。進化は空間方向に沿ってのみ許可されます。逆に、時間的な特異点に近づいている粒子は、容赦なく内部に引き込まれることはありません。空間内での位置は固定されていますが、まだ将来の可能性があるため、時間を進めることができます。外部の観測者は宇宙のような特異点を見ることができません。なぜなら、光波は常にそれらの中に入り、決して出てこないからです。ただし、光波は時間的な特異点から発生する可能性があり、部外者に見えるようになります.
これらの 2 つのタイプのうち、一般相対性理論は特異点自体の点でのみ破綻するため、物理学者にとっては空間的な特異点が望ましい場合があります。時間的な特異点の場合、その理論はその時点のいたるところで行き詰まります。物理学者には、たとえば、放射線が時間的な特異点から発生するかどうか、その強度や振幅がどの程度になるかを予測する方法はありません.
グループは、彼らが調べた両方のタイプのブラックホールについて、実際に中心特異点があり、それは常に宇宙のようなものであることを発見しました.ほとんどではないにしても、多くの天体物理学者がそうであると考えており、意見を持っていた、と Chesler は指摘した。
イスラエルのハイファにある Technion のブラック ホール専門家である物理学者 Amos Ori は、Chesler の新しい論文について次のように述べています。回転するブラック ホール内の特異点です。」
マサチューセッツ大学ダートマス校の物理学者で、ブラック ホールの特異点も調査している Gaurav Khanna は、BHI チームの研究を「大きな進歩であり、この分野でのこれまでの取り組みを超える飛躍的な進歩である」と述べています。
Chesler と彼の共同研究者は、天体物理学のブラック ホールのコアに宇宙のような特異点があるという主張を強化しましたが、まだ証明していません。彼らの次のステップは、基本的なスカラー場を超えて、より複雑な形態の物質と放射線を組み込む、より現実的な計算を行うことです.
Chesler は、ブラック ホールの計算に現れる特異点は、物理学者がそれらの点で見つかった極端な条件を処理できる重力の量子理論を作成するときに消えるはずだと強調しました。 Chesler によると、アインシュタインの理論を限界まで押し上げ、それがどのように失敗するかを正確に確認する行為は、「次の理論を構築する際にあなたを導くことができます」.
この記事は、Investigacionyciencia.es でスペイン語で転載されました .
