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ブラックホール【Black hole】


概説
ブラックホールの周囲には非常に強い重力場が作られるため、ある半径より内側では脱出速度が光速を超え、光ですら外に出てくることが出来ない。この半径をシュヴァルツシルト半径と呼び、この半径を持つ球面を事象の地平面(シュヴァルツシルト面)と呼ぶ。また、この天体を「ブラックホール」(黒い穴)と命名したのはアメリカの物理学者ホイーラーである。 ブラックホールそれ自体は不可視だが、ブラックホールが物質を吸い込む際に降着円盤を形成するので、そこから放出するX線やガンマ線、宇宙ジェットなどによって観測が可能である。

ブラックホールは単に元の星の構成物質がシュヴァルツシルト半径よりも小さく圧縮されてしまった状態の天体であり、事象の地平面の位置に何か構造があるわけではない。よってブラックホールに向かって落下する物体は事象の地平面を超えてそのまま中へ落ちて行く。実際には、有限な大きさを持つ物体は強力な潮汐力を受けるため、事象の地平面に到達する前に素粒子レベルで破壊されてしまうと考えられる。(註:地平面での潮汐力はブラックホールの質量による。銀河中心のブラックホールのような巨大なものの場合、潮汐力は意外に弱い。人間サイズの観測者が地平面を横切っても素粒子レベルで破壊されるようなことは起きない。)一方、ブラックホールから離れた位置の観測者から見ると、物体が事象の地平面に近づくにつれて、相対論的効果によって物体の時間の進み方が遅れるように見える。よってこの観測者からは、ブラックホールに落ちていく物体は最終的に事象の地平面の位置で永久に停止するように見える。同時に、物体から出た光は赤方偏移を受けるため、物体は落ちていくにつれて次第に赤くなり、やがて可視光から赤外線、電波へと移り変わって、事象の地平面に達した段階で完全に見えなくなる。

ブラックホールの中心には、密度、重力が無限大である特異点と呼ばれる点がある。特異点では時空の性質を記述するアインシュタインの一般相対性理論が成り立たないため、特異点の性質その他を従来の物理学を用いて議論することはできない。

誕生
ブラックホールは物質の進化のある枝の一端を成していると言ってもよい。ビッグバンにより始まった純粋なエネルギーであった宇宙が、やがて素粒子を生み出し、素粒子が結合して原子となる。宇宙初期には水素やヘリウムといった最も軽い元素が作られたと考えられている。

軽元素からなる雲は重力によって収縮し、中心部の圧力と温度が上昇して核融合が始まり、原始星となる。核融合が始まると熱的な膨張力が発生して重力による収縮に拮抗する効果を生む。熱による膨張と重力による収縮がつりあった時点で星は安定する。また、核融合によって放出される光子は星の表面から放出され、星は主系列星として明るく輝き始める。

恒星が核融合で水素を使い果たして主系列星の時代を終えると星は次の段階に変化する。主系列星の後にどのような過程を経るかは星の質量によって違ってくる。(詳細は恒星進化論を参照のこと。)

  • 質量が太陽程度から太陽の数倍までの星の場合には、主系列星の後に赤色巨星の段階を経て、星の外層部分を恒星風として周囲に放出して惑星状星雲を作る。星の中心部分は核融合でできた炭素・窒素・酸素などの元素からなる白色矮星となり、このまま次第に冷却して一生を終える。

  • 質量が太陽の約8倍よりも重い星の場合は、巨星に進化した後も中心部で核融合によって次々に重い元素ができ、最終的に鉄からなる中心核が作られる。鉄の原子核は結合エネルギーが最も大きいため、これ以上の核融合反応は起こらず、星の中心部は熱源を失って重力収縮する。収縮が進むと鉄の原子核同士が重なり始め、陽子と電子が結合して中性子になって、やがては星の中心部がほとんど中性子だけからなる核となる。この段階では核全体が中性子の縮退圧によって支えられるようになるため、重力収縮によって核に降り積もる物質は激しく跳ね返されて衝撃波が発生し、一気に吹き飛ばされる。これが超新星爆発である。超新星爆発の後には中性子からなる核が中性子星として残される。残った中性子星が光やX線を激しく放出するパルサーとなる場合もある。

  • 質量が太陽の約20倍以上ある星の場合には、自己重力が中性子の核の縮退圧を凌駕するため、超新星爆発の後も核が収縮(重力崩壊)を続ける。この段階ではもはや星の収縮を押しとどめるものは何も無いため、重力崩壊はどこまでも進む。こうしてシュバルツシルト面より小さく収縮した天体がブラックホールである。

成長
ブラックホールに落ち込む物質は強力な潮汐力によって破壊され、ブラックホールを取り巻いて回転する降着円盤を作る。降着円盤の質量に比べてブラックホールの質量が十分に大きければ降着円盤を構成するガスは質点の周りのケプラー運動に近い差動回転をする。このため降着円盤のガスは粘性による摩擦を受けて加熱され、X線やγ線を放出する。同時に角運動量を失って次第に中心へ落ちていき、ブラックホールに飲み込まれる。ブラックホールのシュヴァルツシルト半径はブラックホールの質量に比例するため、ブラックホールが物質を飲み込んで質量が増えると事象の地平面(シュヴァルツシルト面)の半径も大きくなる。

地球上で極小型のブラックホール生成の可能性
2007年運転開始の加速器LHC(ラージハドロンコライダー)で極小型のブラックホールの生成実験が予定されている。 方法としては、陽子を光速の近くまで加速させ7TeVものの運動エネルギーを持たせてさらにそれを陽子にぶつけて高エネルギー状態にすると、極小型のブラックホールができる。LHCの生成実験では、毎秒一個の極小型のブラックホールができると予想されている。

トップをねらえ!
銀河中心核を巨大ブラックホール化する超兵器「バスターマシーン3号」が登場。高重力下で時間の流れが遅くなる現象も描写され、これが物語にも関わっている。
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