ブラックホール解説：その形成方法と科学が確認したこと

NASAは、ブラックホールを、光さえも逃げられないほどの極めて大きな重力を持つ領域として定義しています。この領域の周囲の目に見える境界は事象の地平線と呼ばれます。これは、重力の引力を逃れるために必要な速度が光の速度を超える地点です。NASAの公式なブラックホール概要によります。

その境界の内側では、NASAの一般向け教育サイトによれば、崩壊した星からの残存物質は、特異点と呼ばれる無限に小さい点に圧縮されると考えられています。その小さなサイズにもかかわらず、その重力牽引力は事象の地平線内のすべてを支配しています。

恒星質量ブラックホールがどのように形成されるか

NASAによれば、恒星質量ブラックホールは、太陽の約20倍以上の質量を持つ星がその核の核融合燃料を使い尽くし、自身の重量の下で崩壊するときに形成されます。その崩壊は星の外層を吹き飛ばす超新星を引き起こし、核は内側へ落ち続けます。崩壊する核が約3太陽質量を超えると、NASAによれば、それを止めることができる既知の力がないため、ブラックホールへの崩壊は避けられません。

通常、恒星は核融合からの外向きの圧力がそれ自身の重力による内向きの引力と釣り合っているため、その形を保ちます。燃料がなくなると、その釣り合いが崩れ、重力が核を圧縮してブラックホールを形成するまで圧縮します。同じNASA説明によります。

すべてのブラックホールが同じサイズではない

NASAのブラックホール概要は、質量によって複数のカテゴリを区別しています。恒星質量ブラックホールは約3から数十太陽質量の範囲であり、銀河系全体に分散しています。超大質量ブラックホールは、私たちの銀河を含むほとんどの大きな銀河の中心に見られ、100,000から数十億太陽質量の間の質量を持っています。

第3のカテゴリ、中質量ブラックホール（約100から10,000太陽質量以上の質量）は長い間疑われており、間接的な証拠を通じて少数の候補しか同定されていませんでした。NASAは、以下で説明される2019年の重力波検出を、現在までにこのクラスの最も説得力のある例として説明しています。

光に依存しない証拠

ブラックホールは光を放射しないため、科学者は間接的にそれらの存在を確認します。NASAは複数の方法を指摘しています：事象の地平線近くで極度に高温に加熱された物質からのX線と電波の検出、光の速度近くで移動する粒子ジェットの観測であり、それは電波、X線、ガンマ線を放射します。そして重力波の検出です。重力波は時空のさざ波であり、2015年に最初に測定されたもので、GW150914と呼ばれるイベントから、2つのブラックホールが相互に螺旋を描いて合体したときのものです。NASAによります。

重力波法は後に最初に確認された中質量ブラックホールを生み出しました。LIGO科学協力とVirgo協力は2020年9月2日、2019年5月21日に発生したイベントからGW190521と指定された信号を検出したことを発表しました。LIGOの公式検出ページによります。約85と66太陽質量を持つ2つのブラックホールは、142太陽質量の単一の残骸に合体しました。LIGOによれば、これは中質量ブラックホールの最初の明確な検出です。

LIGOはまた、その合体が科学的に注目すべきであることを指摘しています。先祖の質量がいわゆる対不安定性質量ギャップ（約65から120太陽質量の範囲）の内側に入るためです。この範囲では、標準的な恒星崩壊理論はブラックホールが直接形成されるべきであることを予測しないため、それらの天体は以前の合体から自らが生じたことを示唆しています。

ブラックホールの影を見る

間接検出を超えて、天文学者は直接画像を生成しました。イベント・ホライズン・テレスコープ（世界中のラジオ天文台のネットワーク）は、2019年にブラックホールの最初の画像を発表しました。それは銀河M87の中心にあるもので、約65億太陽質量と推定され、約5,500万光年離れています。NASAのブラックホール概要によります。

その画像は、明るく輝くガスのリングに囲まれた暗い中央「影」を示しており、これはブラックホールの事象の地平線によって投じられた輪郭で、落下する物質からの光に対して浮かんでいます。

何が不確実なままであるか

NASAによれば、超大質量ブラックホールの起源は、証拠が銀河の非常に初期の歴史にすでに存在していたことを示しているにもかかわらず、まだ十分に理解されていません。