光さえもブラックホールから逃げることができないのに、なぜブラックホールを見たり写真を撮ったりできるのでしょうか?科学は真実を語る

ブラックホールは周囲のすべてを飲み込むことができる極端な重力源です。すべての物質はそこへ戻ることなく行き、光も例外ではありません。したがって、目に見えない「穴」は存在しないようです。

人間の目は可視光を利用して物を観察します。ブラックホールは光さえ放射しないのに、どうすれば見ることができるのでしょうか?したがって、ブラックホールが見えないのは普通のことです。しかし問題は、科学者が新しいブラックホールを発見し、写真まで撮ったとよく言っていることですが、これは少し謎めいています。

これらの写真では、ブラックホールは明らかに非常に明るい火の玉ですが、なぜ光さえも逃げられないと言われるのでしょうか?これには多くのネットユーザーが困惑し、信じられない思いを抱きました。今日は、一緒にこの謎を解き明かしましょう。

まず、ブラックホールの起源についてお話しましょう。アインシュタインの一般相対性理論によれば、物質が極めて小さなサイズに収縮すると、時空の曲率が無限大になり、すべての物質が中心核に向かって収縮し、中心核の周りに無限大の曲率を持つ球状の空間が形成されるという奇妙な現象が発生します。この球状の空間は漏斗のようなもので、周囲の物質をすべて中心の微小な特異点に吸い込みます。

これはブラックホールです。

これが起こるには、物質はどれほど小さくなければならないのでしょうか? 1916 年にはすでに、有名な天体物理学者カール・シュヴァルツシルトは、質量の体積には臨界点があり、この臨界点の計算式は R=2GM/C^2 であると説いていました。ここで、R はシュワルツシルト半径、G は万有引力定数、M は物体の質量、C は光速を表します。

この臨界点半径をシュワルツシルト半径と呼びます。

この式から、物体のシュワルツシルト半径はその質量に比例することがわかります。では、直感的に、シュワルツシルト半径はどれくらいの大きさでしょうか?公式によれば、太陽の質量は1.9891*10^30kg、半径は約70万キロメートル、シュバルツシルト半径は約3キロメートルです。地球の質量は約6*10^24kg、半径は約6371キロメートル、シュワルツシルト半径は約9ミリメートルです。

つまり、太陽の質量は変化せず、半径 3 キロメートル未満に縮小した場合、地球の質量が変わらず半径 9 ミリメートルまで縮小すると、ブラックホールになります。しかし、質量を変えずに太陽を 3 キロメートル、地球を 9 ミリメートルに縮小するにはどうすればよいでしょうか?

現時点ではこれを可能にする力は存在しないと言えるので、太陽や地球がブラックホールになることはないだろう。現在の理論的枠組みによれば、ブラックホールの形成には 2 つの可能性しかありません。 1つはビッグバン時に形成された原始ブラックホールであり、もう1つは超新星爆発後の核崩壊によって形成されたブラックホールです。

これら 2 つの形成方法では、非常に高い温度と圧力によって生じる高密度の下で、物体は自身の質量のシュワルツシルト半径内で強制的に崩壊し、ブラックホールが形成されます。

極めて小さな原始ブラックホールが存在する可能性もあるが、ブラックホールが小さいほど温度が高くなり蒸発が速くなるため、こうした粒子レベルのブラックホールは出現するとすぐに蒸発してしまう。したがって、それらは今のところ理論上のみ存在しており、実際に存在するという証拠は見つかっていない。

巨大な恒星は進化の最終段階で超新星爆発を起こし、中心核に残った鉄の核が極度の圧力を受けて崩壊してブラックホールになります。科学的研究によれば、ブラックホールを形成する恒星の質量は、中心核に太陽の3倍以上の質量を持つブラックホールを残すためには、太陽の30～40倍でなければならないことが分かっています。

太陽の30倍未満の質量を持つ恒星も進化の最後に超新星爆発を起こしますが、後に残るのは太陽の1.44倍から3倍の質量を持つ中性子星だけです。太陽の8倍未満の質量を持つ恒星は超新星爆発を起こさず、進化の終わりには太陽の1.44倍未満の質量を持つ白色矮星だけが残る。太陽が死んだ後に残された死体は白色矮星です。太陽よりも質量が小さい赤色矮星は、やがてゆっくりと燃え尽き、黒色矮星を残します。

ブラックホールは目に見えないのに、なぜ写真を撮ることができるのでしょうか?ブラックホールは無限の重力を持つため、すべての光を吸収し、一光も放射しません。人間の目は可視光を使って物を観察するため、理論的にはブラックホールは人間の目には見えません。しかし問題は、ブラックホールはその形を隠すことはできてもその力を隠すことはできないということであり、その力とは極度の重力なのです。

この極端な重力は周囲のすべてを醜い形で飲み込み、ブラックホールの所在を明らかにします。

ブラックホールの球状のシュワルツシルト半径の端は、ブラックホールの事象の地平線と呼ばれます。この場所は、ブラックホールが見ることができるものと見ることができないものとの間の臨界点です。観測可能なすべての「イベント」は事象の地平線の外側で発生します。もう少し深く、シュワルツシルト半径に入ると、落下速度は光速よりも速くなり、もはや観測できなくなります。

したがって、人間が「見ている」のはブラックホールの「穴」そのものではなく、「穴」の周囲から発せられる光、事象の地平線の周囲から発せられる光なのです。ブラックホールが周囲の物質を飲み込むためには、まずその物質を自身の事象の地平線付近まで引き寄せなければなりません。このプロセスは瞬時に完了するわけではなく、一定のプロセスを経る必要があります。

ブラックホールの重力に引き寄せられた物質がシュワルツシルト半径に近づくにつれて、物質はどんどん速く動き、ブラックホールの赤道の周りに降着円盤を形成します。回転の直線速度は毎秒数万キロメートルに達し、シュワルツシルト半径に近づくほど光速に近づきます。運動エネルギーの式に基づいて計算すると、これらの物質の衝突エネルギーは非常に大きいことがわかります。

そのため、ブラックホールに捕らえられた物質は、ブラックホールに落ちる前に、すでに素粒子に分解されていることになります。衝突時に発生する膨大なエネルギーは、明るい可視光と高エネルギー光線の形で爆発します。シュワルツシルト半径外の脱出速度はまだ光速に達していないため、これらの可視光と不可視光はブラックホールの重力から解放され、宇宙空間に飛び出します。

そこからの光は人間の目と電波望遠鏡によって捉えられ、ブラックホールが「見え」、写真を撮ることができる。

周囲に物質が全くないか、あるいはほとんど捕らえられておらず、降着円盤も形成されておらず、光や高エネルギー光線を放射する能力もないブラックホールは、検出が困難です。しかし、近くに天体活動がある場合は、天体の異常な動きから、近くに目に見えない重力源があると推測し、ブラックホールが存在する可能性を推測することができます。

私たちから 1,120 光年離れた HR6819 三重星系には、そのようなブラックホールが存在します。天文学者たちは、この系内の目に見える2つの星が目に見えない重力源と相互作用していることを発見しました。分析の結果、彼らは降着円盤を持たない恒星質量のブラックホールが存在すると信じた。したがって、このシステムは 2 つの星と 1 つのブラックホールからなる三重システムです。観測と計算によれば、このブラックホールの質量は太陽の約4.2倍で、これまでで最も近いブラックホールとなります。 （上の写真）

したがって、電波望遠鏡でブラックホールが見える、または観測されるためには、ブラックホールの周囲にブラックホールに捕らえられ集積される天体物質が存在するか、少なくともブラックホールの影響を受ける天体の動きが存在する必要があります。ブラックホールの周囲に何もないか、あるいはごくわずかな粒子しか存在せず、新たな降着円盤も存在せず、天体が非常に遠くブラックホールの影響を受けない場合、ブラックホールは沈黙し、観測できません。

理論上は宇宙には膨大な数のブラックホールが存在するが、現実には観測されたブラックホールはごくわずかである。観測により、ほぼすべての銀河の中心に超大質量ブラックホールが存在することが判明しました。科学者たちは、観測可能な宇宙全体に約 400 兆個のブラックホールが存在する可能性があると推定しています。天の川銀河だけでも何億個ものブラックホールがあると考えられていますが、これまでに観測されたのはわずか十数個です。

ブラックホールは一般に私たちから非常に遠いため、科学者がそれを撮影するのは非常に困難です。例えば、天の川銀河の中心にあるM87ブラックホールといて座A*ブラックホールの写真は、世界中から多数の電波望遠鏡のリソースを動員しました。ネットワーク化により、地球と同じ大きさの電波望遠鏡アレイが形成されました。さまざまな国の何百人もの科学者が協力し、数年にわたる写真撮影、解析、データ分析を経て、ついに2枚のブラックホールの写真を合成しました。

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