1970 年代、物理学者のスティーブン ホーキングは、明らかに単純な質問に答えようとしました。ブラック ホールには温度がありますか?彼の分析は、現在彼の名前が付けられているコンセプト、ホーキング放射につながりました。ホーキング博士は、ブラック ホールがエネルギーを放射することを示しただけでなく、ブラック ホールが信じられないほどゆっくりと収縮し、最終的にガンマ線の閃光で爆発することを示しました。
ホーキング放射とは
ホーキング放射の考え方は、空の空間は実際には空ではないという事実に基づいています。これはおそらく理解するのが難しい概念です。空の空間には質量も粒子もエネルギーの量子も含まれていませんが、それらを定義する量子場は空間の真空にまだ存在しています。
通常の説明では、これらの場はエネルギーがゼロである必要がないため、「仮想粒子」のペア、通常は粒子と反粒子のペアを作成し、互いに急速に消滅させることができます。しかし、ブラック ホールの近くでは、これらの粒子の 1 つがブラック ホール内に消えて永遠に失われ、もう 1 つの粒子がホーキング放射として逃げる可能性があると説明されています。
ブラック ホールの詳細:
- ブラック ホールとは何ですか?どのようにして発見したのですか?
- 十分に強力な望遠鏡を作ったら、理論的にはビッグバンからの光を見ることができるでしょうか?
- 日常生活で見られる量子効果はありますか?
- ブラック ホールの周りに生命は存在できますか?
この説明はよく使われますが、完全ではありません。ホーキング放射は、一般相対性理論で説明されているように、実際には重力が時空に与える影響の結果です。
空の空間の量子場は、ハイゼンベルグの不確定性原理に従います。つまり、量子場のエネルギー、または特定のエネルギーを割り当てることができる時間を知る確実性には限界があります。重力場は時空を曲げ、局所的な時間の経過に影響を与えるため、重力曲率が異なる時空の領域は量子場のエネルギーに一致しないことを意味します。いわゆる「仮想粒子」を作り出すのは、ブラック ホールの重力場のさまざまな場所での真空のエネルギーのこの違いです。
ホーキング放射を検出できますか?
ホーキング博士は、ブラックホールに温度があるかどうかという最初の質問になんとか答えました。それらはそうですが、それらの温度は非常に小さいです。さらに、ホーキング博士は、ブラック ホールから放出されるエネルギーの量がその質量に反比例することを示しました。そのため、奇妙なことに、ブラック ホールの質量が大きいほど、放出されるエネルギーと温度は小さくなります。
1 太陽質量 (1 太陽質量は太陽の質量に等しい) のブラック ホールの温度は約 10-8 K ですが、100 万個の太陽質量ブラック ホールの温度は約 10-14 K です。これらの温度は、「絶対零度」をわずかに上回る程度であり、宇宙全体に広がるビッグバンの遺物である宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) の温度と比較すると非常に小さいものです。
また、宇宙は太陽質量の約 2.5 倍より小さいブラック ホールを日常的に生成することはできないようです。したがって、ホーキング放射を検出することは事実上不可能である可能性があります。
ただし、1つの可能性があります。一部の天文学者は、「原始ブラックホール」の存在を仮定しています。これらは、宇宙初期の密度変動によって形成された可能性があり、天文学者がまだ解明できていない謎の暗黒物質の一部を説明している可能性があります。重要なことに、原始ブラック ホールはそのサイズに制約されないため、低質量ブラック ホールが存在する可能性があります。これらは、検出されるのに十分なホーキング放射を放出する可能性があり、より大きなブラック ホールに比べて寿命が短いため、死の瞬間にガンマ線の閃光で姿を現す可能性があります。
ブラックホールは永遠に生き続ける?
ホーキング博士の研究の結論の 1 つは、ブラック ホールは永遠に生きていないということでした。それらは最終的に、非常にゆっくりとしたありふれた方法で蒸発します。ホーキング放射が放出されると、ブラックホールの質量は徐々に減少します。そのため、積極的に新しい物質を吸い込んでいないブラック ホールはゆっくりと縮小し、最終的には消滅します。
この蒸発のタイムスケールは計り知れません。たとえば、1 太陽質量のブラック ホールが完全に蒸発するには 1064 年かかりますが、宇宙の年齢はわずか 1010 年です。
ブラックホール情報のパラドックスとは?
ホーキング放射によるブラック ホールからの質量の蒸発は、「情報のパラドックス」として知られる厄介な問題につながります。量子力学の中心的な原則の 1 つは、「情報」は破壊できないと述べています。これは、たとえば、粒子系に関する完全な情報があれば、その系の未来と過去の状態を予測できることを意味します。
ブラック ホールの事象の地平線を横切る粒子が保持する情報は、二度と戻ることができないため、永久に「失われます」。ブラックホール内に情報が残っていれば問題ありません。問題は、ブラック ホールがホーキング放射によって質量を失うことですが、その情報を宇宙のアクセス可能な部分に戻さないことです。
最終的に、ブラック ホールは完全に消滅し、飲み込んだ情報も一緒に消失し、量子力学の規則に違反します。このパラドックスを解決するための調査は、興味深い新しい物理学につながりましたが、最終的には「量子重力」の完全な理論が必要になる可能性があり、苛立たしいことに、物理学の未解決の問題の 1 つとして残っています。
著者について - アラステア・ガン
アラステアは、マンチェスター大学ジョドレル バンク天文台の天体物理学者であり、サイエンス ライターでもあり、王立天文学会のAstronomy &Geophysicsの副編集長でもあります。 雑誌。
続きを読む:
- ラグランジュ点とは?
- 宇宙はどんな形をしていますか?
- 火星での 1 年:Perseverance は何を達成しましたか?
- 海洋物理学を使用して解決された木星の極低気圧の謎
- この記事は、BBC Science Focus Magazine の第 373 号に最初に掲載されました – 購読方法はこちら
