最近、ブラックホールが明るみに出てきました。昨年、望遠鏡の世界的なネットワークが、隣接する銀河の中心にある超大質量ブラック ホールのシルエットを垣間見ました。重力波検出器は現在、目に見えない遠く離れたブラック ホールの衝突の振動を定期的に感知しています。
今年のノーベル物理学賞は、ブラック ホールの存在を間接的に証明した以前の研究に対して授与されました。ノーベル委員会によると、英国の数理物理学者ロジャー・ペンローズは、「ブラックホールの形成は一般相対性理論の確実な予測である」ことを示す1965年の論文で賞の半分を獲得しました。残りの半分はライバルの天体物理学者であるラインハルト・ゲンツェルとアンドレア・ゲズによって共有されました。彼らは天の川の中心を周回する星の画期的な観測を行い、超大質量で目に見えないコンパクトな天体がそこに存在するに違いないことを示唆しました。
ゲズ氏は今朝、2000年代初頭に天の川の中心にブラックホールが存在することを明らかにした重要な観測を行ったとき、何が頭に浮かんだのかと尋ねられたとき、「まず疑念です」と語った. 「疑いと興奮の両方。自分が見ているものに常に疑問を抱かなければならない、研究の最前線にいるという感覚です。」
20 年経った今、ブラック ホールとその宇宙における重要な役割について疑いの余地はありません。
ブラックホールとは?
ブラック ホールは、非常に多くの物質が非常に狭い空間に詰め込まれた領域であり、重力が暴走効果をもたらします。物質は、特異点と呼ばれる巨大な密度の中心点に向かって崩壊します。特異点から一定の距離内にあるものはすべて、重力によって閉じ込められ、内側に落下する運命にあります。事象の地平線と呼ばれる、ブラック ホールの戻りのない球面の内部を通過する光でさえも吸い込まれ、ブラック ホールは見えなくなります。
ブラック ホールを視覚化する一般的な方法は、じょうごに引き伸ばされた 2 次元のシートです。下に行きすぎると、登ることができなくなります。ただし、材料があらゆる方向から中心点に向かって内側に落下する 3 次元のじょうごを想像してみてください。
いくつかの点で、ブラック ホールは信じられないほど単純です。彼らは「毛がない」と言われています。つまり、形成されるとすべての特徴が洗い流されるようです.それぞれは、その質量、電荷、および角運動量によってのみ特徴付けることができ、素粒子のようになります。
しかし、ブラックホールは外見は単純ですが、その内部は非常に神秘的です。アルバート アインシュタインの一般相対性理論は、ブラック ホールの特異点では時空の曲率が無限になると予測していますが、これは物理的に不可能です。これらのオブジェクトは、理論が不完全でなければならないことを示しています。物理学者は、ブラック ホールの特異点を理解するには、量子重力理論を考え出す必要があると考えています。
ブラック ホールはどのように形成されるのですか?
ブラック ホールは、物質またはエネルギーが十分に密集したときに形成されます。どのくらいの密度ですか？ブラック ホールを形成するには、地球はピンポン球よりも小さい球体に収縮する必要があります。
このような小さなブラック ホールは、ビッグ バンの間に形成された可能性がありますが (これらは「原始ブラック ホール」として知られる架空の実体であり、宇宙に存在しない暗黒物質を構成している可能性があります)、今日宇宙で観測されているものはより大きくなっています。通常、太陽の 10 倍以上の質量を持つ星が燃料を使い果たしたときに形成されます。外向きの放射圧が内向きの重力を打ち消すことができなくなると、星のコアは内向きに崩壊します。これは通常、超新星と呼ばれる劇的な爆発を伴います。
Reinhard Genzel、Andrea Ghez、および彼らのチームが天の川の中心で研究した射手座 A* [A スターと発音] という名前の 400 万太陽質量のブラック ホールのような、超大質量ブラック ホールの形成を取り巻く確実性は低い。これらの巨獣はおそらく、宇宙の最初の 10 億年の間に銀河が形成されたときに形成されました。しかし、それらが重力で崩壊してブラックホールになり、その後天文学的に成長した星として始まったのか、それともプラズマの巨大なポケットの直接の崩壊から形成されたのか、または他の方法で形成されたのかは、未解決の問題のままです.今後数年間で、ジェイムズ ウェッブ宇宙望遠鏡による非常に遠く離れた非常に若い銀河の観測により、パズルが解決される可能性があります。
ロジャー ペンローズはブラック ホールについて何を発見しましたか?
ロジャー ペンローズ は、クエーサーと呼ばれる超光速天体の発見から間もなく、1965 年に重要な貢献をしました。これらの天体は非常に明るいため、研究者は、超小型の超大質量天体に落下する物質の輝きである可能性があると仮説を立てました。これは、ブラック ホールが単なるアインシュタインの理論の数学的人工物であったのか、それとも実際に宇宙で形成されたのかという数十年にわたる疑問への関心を新たにしました。
ペンローズは、彼らができることを示しました。実際、彼は必然的にそうなることを示しました.
それまで研究者たちは、アインシュタインの方程式の「シュヴァルツシルト解」のような物体 (1916 年にカール シュヴァルツシルトによって紙に書かれた、最も単純な種類のブラック ホール) が実際に自然界で可能かどうかを解明しようと懸命に努力していました。このような理論的解決策は、重力崩壊を行う物質が完全な球体であるという単純化した仮定の下でのみ研究されてきました。問題は、結果として生じる特異点が、その完全な球面対称性の単純な人工物であるかどうかでした。紙の上では可能ですが、本質的にばかげています.
ペンローズは、1965 年の論文で述べたように、「球対称性からの逸脱は、時空の特異点の発生を防ぐことはできない」ことを示しました。つまり、星が歪んでいても、星は点まで崩壊します。彼は、「閉じ込められた表面」の概念と、表面が時空内にどのように位置するかを分析するための現在有名な図式スキームを導入することによってこれを示しました。光線を任意の方向に発射できる通常のサーフェスとは異なり、トラップ サーフェスは閉じた 2 次元のサーフェスであり、たとえ歪んでいてもはや球体ではない場合でも、光線は一方向にのみ進むことができます。中心点。
ペンローズは、空間と時間の次元が閉じ込められた表面内で役割を切り替えることを発見しました。時間は中心に向かう方向なので、ブラック ホールから逃れることは、時間を遡ることと同じくらい不可能です。ペンローズは、スティーブン ホーキングと共に、同様の分析が宇宙全体に当てはまることをすぐに示しました。ビッグバンで物質とエネルギーが密集していたとき、特異点は必然的に存在していたでしょう。
どうやってブラックホールを観測するの?
目に見えない存在をいくつかの方法で検出します。重力波検出器は、結果として生じる時空の伸縮を測定することで、ブラック ホールの衝突を感知します。イベント ホライズン テレスコープは、望遠鏡のグローバル ネットワークを使用して、超大質量ブラック ホールのイベント ホライズンのすぐ外側にある明るいリング状の光を驚くほど高い解像度で表示します。しかし、そのような直接的な観察は過去 5 年間しか行われていません。
1960 年代から、天文学者はクエーサーと呼ばれる遠方の物体から放出される膨大な量のエネルギーを観測し始めました。研究者たちは、クエーサーが実際には大量のガスと塵を引き込んでいる超大質量ブラック ホールではないかと疑っていました。同じ頃、望遠鏡は星から来る X 線を検出しました。研究者は最終的に、目に見えないコンパニオン ブラック ホールが星の物質を吸い取り、光を生成しているに違いないと結論付けました。
天の川銀河の中心にあるブラック ホールについては、その存在の最初のヒントが検出されたのは 1931 年で、先駆的な電波天文学者のカール ヤンスキーがいて座の方向から来る電波信号を観測したときでした。その後、1974 年に、電波天文学者のブルース バリックとロバート ブラウンが、いて座 A* として知られるようになった銀河の中心にある明るくコンパクトな天体を特定しました。 1990 年代のさらなる観測により、銀河の中心に超重い天体が存在することを示す多くの証拠が構築されましたが、天文学者がこれらの中心のアンカーが超大質量ブラック ホールであることを明確に示すには、より優れた技術と巧妙な新しい観測戦略が必要でした。
ゲンゼルとゲズは、射手座 A* が超大質量ブラック ホールであることをどのように証明しましたか?
彼らは、非常に近くで揺れる星の動きを追跡しました。射手座 A* が物質の拡張されたクラスターである場合、通過する星は複数の方向から引っ張られ、結果として生じる軌道は目立たなくなります。しかし、それがコンパクトな超大質量ブラック ホールである場合、星は高速で動き回るはずです。
望遠鏡は、1990 年代に Ghez と Genzel が登場するまで、これらの軌道を正確に追跡するのに必要な空間分解能を欠いていました。どちらのチームも、地球の大気のぼやけを取り除くアプローチを開拓しました。スペックル イメージングと呼ばれる最初の手法では、複数の短時間の露出を組み合わせて、それぞれの露出を短くして、大気の歪みが長引かないようにしました。その後、適応光学と呼ばれるより高度なアプローチにより、さらにきめ細かい観察が可能になりました。適応光学では、レーザーが夜空に照射され、望遠鏡によって同時に画像化される「人工星」が作成されます。 (Ghez のグループはハワイのケック天文台を使用し、Genzel のグループはチリの超大型望遠鏡を使用しました。) 人工星は、大気が画像をどのように歪めているかを正確に明らかにします。アルゴリズムがこれらの影響を打ち消す方法を見つけ出し、小さなアクチュエーターが望遠鏡の鏡の形状を変形させてリアルタイムで歪みを取り除きます。
両方のチームは、S2 と呼ばれる特定の星に狙いを定めました。その軌道は、射手座 A* の銀河の石の範囲内を通過しました。 2000 年代初頭、S2 の軌跡は、他のいくつかの近くの星の軌跡とともに、射手座 A* が 400 万の太陽質量を含んでいるにもかかわらず、地球と太陽の間の距離の 125 倍未満であることを示しました。それは超大質量ブラック ホールである可能性があります。
