ブラックホールがどのように形成され、なぜそれらが宇宙で最も極端な天体なのか

ブラックホールは、重力が非常に強い空間領域です。事象地平線と呼ばれる境界を越えると、光でさえも逃げることができません。NASAによれば、この単一の特性――空間の一方通行の表面――が、これらの天体をその見える大きさではなく、物理学で知られている最も極端な環境にしています。

ブラックホールがどのように形成されるか

最も理解されているメカニズムは恒星の崩壊です。NASAは、太陽の質量の約20倍以上の星は最終的に核燃料を使い果たし、その後コアは内側に崩壊し、外層は超新星爆発で吹き飛ばされると説明しています。圧縮されたコアが依然として約3太陽質量以上を保持している場合、NASAはそのコアをブラックホールへの崩壊から止める既知の力は存在しないと述べています。

ESAも同じメカニズムを説明しています。ひとたび恒星コアがその質量閾値を超えて十分に小さな体積に圧縮されると、その重力がすべての他の物理力を圧倒し、光が逃げられなくなるまでそのオブジェクトは縮み続けます。NASAによれば、ブラックホールはその後、周辺のガスを引き込むことで成長し続けることができ、このプロセスは降着と呼ばれます。ESAは、降着だけでは、宇宙の初期に一部の超大質量ブラックホールがどのようにそこまで大きく成長したかを説明するのに十分ではないことに注目し、これが科学者が中間質量ブラックホールを可能性のある欠落した鎖として研究する理由の1つです。

別の、より未解決のアイデアは宇宙の最初の時間に関するものです。いくつかの理論は、原始ブラックホールがビッグバンのすぐ後の極端な条件から直接形成された可能性があり、星が関わらずに提案しています。ESAは、その宇宙望遠鏡ユークリッドがそのようなオブジェクトが存在するかどうかをテストするのに役立つ可能性があり、それらが宇宙のダークマターの一部を占めることができるかどうかをテストするのに役立つ可能性があると述べています。

4つのクラス、質量によって定義

NASAとESAはブラックホールを主に含まれる質量に基づいてカテゴリ化します。質量は大きさ、重力の強さ、および形成経路を決定するからです。

それらを極端にするもの

事象地平線はブラックホールを区別する特徴です。NASAはそれをオブジェクトを去るために必要な脱出速度が光の速度を超える点として説明し、光そのものを含めて何も外側に戻ることができません。光が逃げないため、ブラックホール自体は光を放射しません。天文学者が検出するのは、この境界のすぐ外の物質の輝きです。

その輝きは降着円盤から生じます。これは近くの星またはガス雲から引き込まれた物質で、事象地平線に近づくにつれて渦状に内側に螺旋状に進み、加熱されます。NASAのブラックホール解剖学の説明によると、活発に物質を取り込んでいる超大質量ブラックホールの周りのこの領域――コロナと呼ばれる――は約10億度の温度に達し、高エネルギーのX線を生成し、粒子は光の速度に近づく速度で移動しています。

中心部では、一般相対性理論は特異点を予測しています。これは物質が無限密度に圧縮される点です。NASAによると、事象地平線を超えて落ちるものの最終目的地として説明されていますが、物理学者はこれが現在の重力の理論が実際にそこで何が起こるかの完全にテストされた説明を与えるのではなく、理論が破綻する場所であることに注目しています。

ブラックホールを直接観察する

ブラックホールは独自の光を放射しないため、天文学者は直接写真を撮ることができません。代わりに、ブラックホールが周囲の輝くガスの上に投じる影を画像化します。イベント地平線望遠鏡（EHT）は、超長ベースライン干渉法と呼ばれる技術を通じてリンクされた世界中のラジオ天文台のネットワークです。ヨーロッパ南天天文台（ESO）はEHT協力のパートナーですが、2019年に超大質量ブラックホールM87*の最初のそのような画像を作成し、2022年に銀河系の中央ブラックホールである射手座A*の画像を作成しました。

ESOは、射手座A*は太陽の約400万倍の質量を持ち、地球から約27,000光年離れていると述べていますが、私たちの視点からESOはそれが月の表面に置かれたドーナツのように見えるのと同じくらい大きく見えないと説明しています。NASAは別々に、2019年のEHTで画像化されたM87*は60億太陽質量以上を保持し、NASAが述べる事象地平線は太陽系の惑星をはるか超えて到達すると報告しています。

ESOは、そのような画像により、科学者はブラックホールの境界で時空の動作を直接調査することができ、観測可能な最も極端な重力条件で一般相対性理論をテストする方法であると述べています。