ブラックホールとは？

ブラック ホールは、天体物理学から日常の想像力の中に逃げてきました。しかし、それらの性質や、おそらくそれらの存在についての私たちの知識には、かなりのギャップがあります.

ブラックホールは観測ではなく、理論から生まれました。晴れた夜空を見上げることができる限り、私たちは従来の星について知っていました。

しかし、誰もブラックホールを見たことがありません。代わりに、それらは、そのようなものがそこにあるかどうかを確認する方法がなかったときに存在すると予測されました.そして、その予言は 1 回ではなく 2 回起こりました。

ブラック ホールを最初に研究した人物は?

この問題に関する最初の霊感を受けた考え方は、18 世紀にさかのぼります。彼が「暗黒星」と呼ぶものを思いついたのは、後に聖職者になったケンブリッジの科学者、ジョン・ミシェルでした。当時の最新科学の 2 つの重要なアイデアを組み合わせて、彼がこの概念を思いついたのは、彼の牧師館からでした。

1つは脱出速度でした。 Michell は、弾丸が空中にまっすぐに発射されたとき、銃から離れたときに作用する力は空気抵抗と重力の 2 つだけであることを知っていました。

それが高くなるにつれて、これらの力は両方とも弱まります。空気は薄くなり、ニュートンが明らかにしたように、重力の引力は、関係する物体の中心間の距離の 2 乗で減少します。この場合、弾丸と地球です。

ブラック ホールの詳細:

• ブラックホール衝突の可能性から見える閃光
• 謎の物体は、これまでに発見された最小のブラック ホールかもしれません
• 研究者が「非常に奇妙な」ブラック ホールの物理学を検証

ミシェルの時代の黒色火薬銃の典型的な弾丸は、毎秒 300 メートルもの速さで移動できました。しかし、この驚異的な速度にもかかわらず、弾丸を減速させる力が働いて、弾丸は地球に戻ってきました。

しかし、ミシェルは、約 37 倍の速度で移動する弾丸が地球の引力を克服して宇宙に飛び立つことができることを知っていました。脱出速度を達成したはずです。

彼は、この考えを 1670 年代の発見と組み合わせました。デンマークの天文学者オーレ レーマーは、木星の月のタイミングの明らかな変化は、光が惑星から私たちに到達するまでの時間の違いによって引き起こされていることに気づきました。

太古の昔から、光が瞬時に移動するのか、それとも非常に速く移動するのかについて議論がありました.

レーマーは、軌道上で木星と地球の相対位置が変化することで、光が私たちに到達するまでの時間が変化することから、測定可能な速度の証拠を発見しました。彼は、光の速度を約 220,000km/s と計算しました。

次の 100 年で、この数字はより正確に測定されたため、ミシェルは現在の 300,000km/s に近い速度で作業していました。しかし、特定の値は問題ではありませんでした。要点は、光には速度があるということでした。

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脱出速度と有限の速度を持つ光という 2 つの概念を組み合わせて、ミシェルは巨大な星が光速を超える脱出速度を持っていたらどうなるのだろうと考えました。物体の質量が大きいほど、脱出速度が高くなります。

したがって、原理的には、光さえも逃れられないほど巨大な星が存在する可能性があります。そのような「暗い星」は巨大でなければなりません。たとえば、太陽の表面からの脱出速度は 600 km/s を超えていますが、光の速度よりもはるかに遅いです。

ミシェルの理論は、光は通常の粒子で構成されており、他の発射体と同様に重力によって減速できるという誤った仮定に基づいていました。しかし、これらの神秘的な「暗い星」のアイデアは歴史に消えていきました.

20 世紀に早送りし、カール シュヴァルツシルトは第一次世界大戦の熱気と恐怖の中で理論を復活させました。それは 1915 年のことで、41 歳のドイツの物理学者がドイツ軍への参加を志願していました。

どういうわけか、おそらく彼の周りの荒廃からの気晴らしとして、彼はアインシュタインのエレガントな方程式と彼の新しい一般相対性理論について考える時間を見つけました.

アインシュタインの方程式は複雑すぎて普遍的な解を提供できませんが、シュヴァルツシルトは回転していない球体の特殊なケースについて解いています。

その物体のすべての質量が、現在シュヴァルツシルト半径と呼ばれるサイズの球に詰め込まれている場合、時空間の歪みが非常に大きく、オブジェクトからの光が決して逃げないことが数学から明らかになりました.その半径の物体の周りの球体よりも近いものは、ブラック ホールの事象の地平線である後戻りできない表面を通過します。

そのような天体の最も明白な原因は、崩壊する星でしょう。通常の動作では、星の核反応は重力に逆らって膨らみます。しかし、これらの反応が弱まり始めると、星の物質は崩壊する可能性があります.

この崩壊は、パウリの排他原理と呼ばれる量子効果によって停止し、非常に高密度の中性子星を形成すると予想されています。しかし、星が十分に大きく、太陽の質量の約 3 倍を超える場合、排除原理は克服され、崩壊は止められないでしょう。

原則として、ブラック ホール内の物質は無次元点まで崩壊し続けます。これは、無限の密度と重力を伴う「特異点」であり、接近すると無限に向かいます。

実際には、特異点は私たちの物理学が崩壊したことを認めているため、実際に何が起こるかはわかりません.

ブラック ホールはどのように見えますか?

シュヴァルツシルト以降のかなりの期間、ブラック ホールは純粋に理論的なものでした。または、少なくとも崩壊した星は、より興味深いモニカをまだ受け取っていなかったので、そうでした. 「ブラック ホール」はしばしばアメリカの物理学者ジョン ウィーラーの作とされていますが、その起源は謎に包まれています。

この用語は、1964 年 1 月の米国科学振興協会の会議で初めて報告されました。誰が使用したかは定かではありませんが、ホイーラーはすぐにこの用語を取り上げ、普及させました。ブラックホールを探すのは時間の無駄に思えるかもしれません.

光を放たないものをどのように見ますか？しかし、ブラック ホールの物理学が発展するにつれて、科学者は間接的なルートが利用可能であることに気付きました。

天文学者は穴自体を見ることができないため、その副作用を探す必要があります。物質が回転する穴に引きずり込まれ、宇宙のすべてが回転すると、摩擦の結果として明るく輝く「降着円盤」が生成され、極から独特の「ジェット」も生成されます。

次に、重力の影響があります。ブラックホールの影響を受けた近くの物体が見えるかもしれません。これは由緒ある手法であり、過去に海王星の存在を推測するために使用されました。天文学者は、他の惑星の軌道が海王星の引力によってどのように影響を受けるかを研究しました。

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最後に「ホーキング放射」です。スティーブン・ホーキングは、1974 年にブラック ホールが真の黒ではないことに気付いたとき、他の誰よりも自分自身を驚かせました。

このアイデアは、量子物理学（非常に小さなものを支配する科学）、特に「不確定性原理」に対する彼の理解から生まれました。これは、局所化されたエネルギーが短期間で大きく変動する可能性があり、量子粒子のペアが出現し、観測される前に再び消滅する可能性があることを示しています.

これがブラック ホールの事象の地平線の近くで発生した場合、これらの「仮想」粒子の 1 つが引き込まれ、もう 1 つが飛び去る可能性があります。これらの漂遊粒子がホーキング放射を構成しています。これは、遠く離れた場所では検出できない可能性があります。

シュヴァルツシルトの解決策の後、ブラック ホールは、少なくとも太陽の 3 倍の質量を持つ適切な種類の星の自然な終わりのように見えました。しかし、この特定の規模は、ブラック ホール自体の制限ではなく、形成メカニズムにすぎません。

原則として、ブラック ホールは、微視的なものから太陽の数百万倍の質量まで、あらゆる規模で存在する可能性があります。大きく分けて 4 つのカテゴリがあり、そのうちの 2 つがおそらく検出されています。

スケールの小さな、完全に仮想的な端にあるのは、マイクロ ブラック ホールと量子ブラック ホールです。たとえば、地球が崩壊し、直径約 9 mm の事象の地平線が形成された場合、マイクロ ブラック ホールが形成されますが、ありがたいことに、これが発生する既知のメカニズムはありません。

量子ブラック ホールはさらに小さく、約 5,000 陽子以上のスケールです。原則として、それらは粒子加速器で生成でき、ほとんどすぐに崩壊します.

現在の加速器は、補助なしで生成するエネルギーを持っていませんが、宇宙に余分な次元がある場合、エネルギーのしきい値をアクセス可能なものに下げることができます.

瀕死の星の崩壊から形成された通常のブラック ホールについて、私たちが持っている最良の証拠は、X 線連星です。

これらの天体では、物質が通常の星から目に見えない星へと加速され、X 線を放出します。これは中性子星で発生する可能性がありますが、「食べる」星が太陽の約 3 倍以上の質量を持っている場合、理論的にはブラック ホールであるはずです。

ブラック ホールを含むと広く認識されている最初の X 線連星は、シグナス X-1 でした。 1964 年に強力な X 線源が検出され、1971 年にブラック ホールの候補として特定されました。

連星内の青色の超巨星は、X 線源によって物質を剥ぎ取られており、その質量は太陽の 9 倍から 15 倍の範囲にあるように見えました。

1975 年、キップ ソーンとスティーブン ホーキングは、これが本当にブラック ホールであるかどうかについて賭けをしました。ホーキング博士は、「いいえ」の側で、より良い観測データが得られた 1990 年に支払いを済ませました。

ブラック ホールの基本に戻る

1990 年以降、シグナス X-1 の同定は確実ではなくなりました。これは、伴星が非常に大きく、「コンパクト天体」の伴星の質量を確認することが難しいためです。

それ以来、他の多くの候補が検出されていますが、証拠は間接的なままであり、実際には裏付けられない可能性がある中性子星の最大サイズに関する理論的仮定に基づいています.

超大質量ブラック ホールはほとんどの銀河の中心に存在すると考えられており、おそらく銀河の初期の生命の密なガス雲の崩壊から形成されています。

このようなブラック ホールは、銀河の形成に重要な役割を果たしている可能性があり、銀河が合体するハブとなります。これらの領域からの異常に高い電磁放射と近くの星の奇妙な動きのおかげで、候補は多くの銀河の中心で検出されています.

S2 と呼ばれる星は、海王星の軌道の半径の約 4 倍で、天の川の中心を周回しています。

S2 の軌道から、太陽の約 430 万倍の質量を持つ何かを周回しているようです。この天体は射手座 A* と呼ばれる強力な電波源の位置と一致しており、現在のところ超大質量ブラック ホール以外にこれを説明するものはありません。

他の場所では、星の破壊が手がかりになります。遠方の銀河の異常に明るい光の痕跡は、超大質量ブラック ホールによって引き裂かれた星であると考えられています。

ただし、すべてが確実ではありません。 2014 年の研究では、ブラック ホールはまったく形成されないことが示唆されました。著者らは、星が崩壊すると、崩壊中のホーキング放射によって星の質量が十分に減少し、ブラック ホールが決して完成しないことを示唆しています。

ブラックホールのように振る舞う超高密度天体が存在しますが、特異点や事象の地平線はありません。

この論文は広く受け入れられているわけではありませんが、ブラック ホールに関する私たちの理解が主に理論によって推進されていることを示しています。現実がどうであれ、さらなる驚きが期待できます。

重要な用語

ジェット - ほぼ光速まで加速された物質の流れは、降着円盤に対して直角に放出されます。これらのジェットの原因は不明ですが、複雑な磁場の結果である可能性があります。

パウリ排除原則 - この量子力学の原理により、2 つのフェルミオン (亜原子粒子の一種) が同一の量子状態になることはあり得ないことが立証されます。これは、ブラック ホール形成のような極端な条件を除いて、フェルミ粒子を引き離す短距離力のような「交換相互作用」をもたらします。

特異点 - 天体物理学の場合、特異点とは、時空が重力によって局所的に歪められ、重力が無限大になり、現在の物理学理論が崩壊する数学的に予測された状態です。