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ブラックホール解説：形成の仕組み、見た目、そして存在の証拠
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要点
ブラックホールは、重力が非常に強く、光さえも事象の地平線を超えると逃げられない領域である。ほとんどのブラックホールは巨大な死亡星の崩壊から形成されるが、最大のスーパーマッシブブラックホールの起源はNASAによるとまだ理解されていない。その存在は2015年の重力波検出と2019年の直接画像の両方によって確認されている。
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ブラックホールは、重力が強くて、ある境界を超えると、光さえも逃げられない空間領域である。その境界は事象の地平線と呼ばれ、NASAはそれを脱出に必要な速度が光の速度を超える地点として説明している。
ブラックホールはどのように形成されるか
最も一般的なルートは巨大な星の死である。NASAによると、20太陽質量以上の星がそのコアの核燃料を使い尽くすと、その自身の重さで崩壊する。崩壊するコアがおよそ3太陽質量を超えると、既知の力では崩壊を止めることができず、ブラックホールが形成される。
大銀河の中心に位置し、10万から数十億の太陽質量の重さを持つスーパーマッシブブラックホールは、星の崩壊だけでは説明しにくい。NASAは、スーパーマッシブブラックホールの起源は理解されていないと述べているが、銀河の初期段階から存在していたことが知られている。
ブラックホールはまた、降着と呼ばれるプロセスを通じて周囲のガスとダストを引き込むことで、そして他のブラックホールとの合体によって、形成後に成長する。
ブラックホールの構造
NASAによるブラックホールの解剖学的説明はいくつかの異なる部分を列挙している。特異点は中心の理論的な点であり、一般相対性理論によれば、物質は無限の密度に圧縮される。それを取り囲むのは事象の地平線であり、帰還不可能な地点である。
さらに外側では、落ち込むガスとダストは降着円盤を形成し、内側に螺旋を描くときに加熱される回転構造であり、天文学者がブラックホールを検出する主な方法の1つである。ブラックホールの近くでは、光は逃げる前に複数回公転することができ、光子球として知られている薄くゆがんだリングを生成する。いくつかのブラックホールはまた、円盤の上に10億度のコロナ粒子を生成し、光の速度に近い速度で物質を外に発射するジェットの対を生成し、スーパーマッシブブラックホールからのジェットはNASAによると数十万光年まで延長される。
ブラックホールの種類
天文学者はブラックホールを質量によってグループ化する。星質量ブラックホールは約3から数十の太陽質量の範囲であり、天の川銀河などの銀河全体に散在している。スーパーマッシブブラックホールは大銀河の中心を固定し、10万から数十億の太陽質量の重さを持つ。メシエ87銀河の中心のものは6十億太陽質量以上の重さを持つとNASAは述べている。中間質量ブラックホールは100から1万以上の太陽質量の範囲にあり、確認された例はほとんどない。NASAは2019年の合体イベントGW190521を指し、これは142太陽質量のブラックホールを生成し、この分類の最も説得力のある例であると述べている。
| 種類 | 典型的な質量範囲 | 例 |
|---|---|---|
| 星質量 | ～3から数十の太陽質量 | 天の川銀河全体に散在 |
| 中間質量 | 100から1万以上の太陽質量 | 合体生成物GW190521（142太陽質量） |
| スーパーマッシブ | 10万から数十億の太陽質量 | M87*（6十億太陽質量以上） |
科学者がブラックホールが実在することを証明した方法
ブラックホールの直接的な画像は、事象の地平線の内側から光が逃げないため、通常の意味では不可能である。代わりに、研究者は間接的な効果を探し、過去10年間の2つのランドマーク結果により、ブラックホールは理論的予測から観測現実に変わった。
最初は2015年9月14日に来た。Physics Worldの発見報告書によると、米国の双子のAdvanced LIGO検出器が重力波信号を拾い、後にGW150914と名付けられた。信号は、36倍と29倍の太陽質量を持つ2つのブラックホールが、約13億光年離れた場所で62太陽質量の単一の回転ブラックホールに合体したものから来た。3太陽質量に相当する差分は重力波として放射されていた。検出は5.1シグマ以上の統計的有意性で測定され、特に、重力波がアインシュタインの一般相対性理論によって予測されたように光の速度で移動することを確認した。
2番目のランドマークは2019年4月10日に来た。MIT Newsによると、Event Horizon Telescopeコラボレーションはブラックホールの影のシルエットの初めての画像をリリースした。ターゲットはM87の中心にあるスーパーマッシブブラックホールであり、地球から5500万光年離れており、65億太陽質量の質量とおよそ400億キロメートルの事象の地平線を持つ。ハワイとアリゾナからメキシコ、スペイン、チリ、南極までの8つの地上ラジオ望遠鏡が、単一の仮想機器として協力して画像をキャプチャし、暗い中央の「影」を取り囲む輝くガスの明るいリングを示した。
この影は、事象の地平線による光の重力曲げとキャプチャによって引き起こされ、これらの魅力的な物体の性質について多くのことを明かしている。
MIT Newsによると、13のパートナー機関から200人以上の研究者が2019年の結果に貢献し、観測された影は一般相対性理論の予測と一致した。
周囲の空間への重力効果
ブラックホールの近くで、落ち込む物質は降着円盤に螺旋を描き、NASAはそれを「熱い、明るく、急速に回転する円盤」として説明しており、ブラックホール自体は光を放出しないにもかかわらず、天文学者がブラックホールを検出する主な方法の1つである。これと同じ重力効果は、近くを通過する光の経路を曲げ、EHT画像で見られる輝くリングを生成し、むしろ単純な暗い円ではない。
よくある質問
よくある質問
- 何かブラックホールから逃げることができますか？
- いいえ。NASAは事象の地平線を、脱出速度が光の速度を超える境界として定義しており、光を含む何もがその点を越えると逃げることができないということを意味する。
- ブラックホールはどのように形成されますか？
- NASAによると、星質量ブラックホールは20太陽質量以上の星が核燃料を使い尽くし、そのコアが約3太陽質量を超える場合、その自身の重力で崩壊するときに形成される。スーパーマッシブブラックホールの起源はあまり明確ではなく、NASAはそれが理解されていないと述べているが、これらの物体が銀河の初期段階から存在していたことが知られている。
- ブラックホールは実際に写真撮影されたことはありますか？
- 2019年4月、MIT Newsによると、Event Horizon Telescopeコラボレーションは銀河M87の中心にあるスーパーマッシブブラックホールのブラックホールの影と周囲の輝くガスのリングを示す最初の画像をリリースした。
- ブラックホールの合体の最初の直接的な証拠は何でしたか？
- 2015年9月14日、LIGOはPhysics Worldの発見報告によると、36と29太陽質量の2つのブラックホールが約13億光年離れた62太陽質量のブラックホールに合体したという重力波を検出した。
- 最大の既知のブラックホールカテゴリーはどのくらいの大きさですか？
- NASAによると、スーパーマッシブブラックホールは約10万から数十億の太陽質量の範囲であり、大銀河の中心に位置している。M87のものは6十億太陽質量以上の重さを持つ。
出典
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