平凡社 世界大百科事典

ブラックホール

重力が強いため,自然界でもっとも速い光(秒速30万km)を含めていかなる物もそこから脱出することができない面が存在する天体。一般相対論ではこの面を〈事象の地平面〉と呼ぶ。ブラックホールを観測したとき,事象の地平面からは,光も電波もX線も出てこないので,まったく黒く見える。すなわち,宇宙の背景放射の中の黒い穴(ブラックホール)として見えることになる。

種類

事象の地平面から十分離れた遠方では,ブラックホールは,何も特異なことを起こさない。単に他の天体に重力を及ぼすだけである。つまりブラックホールを特徴づける第1の要素は,遠方での重力を決める重力質量である。原理的には,ブラックホールの質量はプランク質量(10万分の1g)以上であれば,いくらでもかまわない(これ以下では重力の量子論が必要となる)。しかし,現実的には,(1)太陽質量(2×1033g)の10倍程度,(2)太陽質量の100万倍から1億倍くらいの超大質量ブラックホール,(3)10億tくらいのミニブラックホールの3種類くらいが考えられる。ブラックホールの質量に応じて,ブラックホールの大きさ,すなわち事象の地平面の面積が決まる。(1)では10km四方,(2)では1000万km四方から10億km四方,(3)では10兆分の1cm四方になる。

恒星からブラックホールへ

太陽質量の10倍程度のブラックホールは,恒星の進化の結果として生ずる。恒星は,水素を主成分とした星間ガスが,自己の重力で集まることによって誕生する。恒星は,生まれてからも収縮をつづけるが,中心の温度が1000万Kになったときに,水素が原子核融合反応を起こしてヘリウムの原子核になりはじめる。核融合に伴って解放された原子核の結合エネルギーによって,恒星は自分自身を支えそして輝く。水素がヘリウムに変わってしまうと,今度は1億Kの温度で,三つのヘリウムが核融合して炭素の原子核になる。このようなことが次々に起こって,最終的には,それ以上には核融合しないもっとも結合エネルギーの大きい鉄の原子核になる。鉄からはエネルギーを取り出せないので,恒星の中心部分は自分自身の重力のために収縮をはじめ,そして密度が上昇する。この段階で,電子は原子核に吸収されて,物質は中性子過剰になってくる。最終的には,中性子が互いに押しあいへしあいになるまで密度が上昇する。鉄からなる恒星の中心核の質量があまり大きくないときには,中性子間に働く強い斥力のために,収縮は反発に転じて,星の外層を吹きとばす。すなわち超新星爆発が起こり,後に太陽質量程度の高密度(10億t毎立方cm)の中性子星が残る。しかし,星の質量が十分大きくて太陽質量の10倍以上だと,外層は吹きとばされず反対に中心にある中性子星に向かって落下する。中性子星は,1939年にJ.R.オッペンハイマーらによって理論的に予言され,67年にA.ヒューイッシュらによって,電波を規則的に放出し続けるパルサーとして実在が確認されている天体である。中性子星の半径は10km程度であり,表面での重力は,地球上での重力の1000億倍にもなる。このような強い重力をもつ天体は,I.ニュートンによる重力理論では扱えず,A.アインシュタインによる一般相対性理論が必要になる。それによると,物質の音速が光速を超えてはならないという一般的な条件の下で,中性子星として存在しうる最大の質量は,太陽質量の3倍であることがわかっている。したがって,太陽質量の10倍以上の恒星は,最終的には,中性子星とはなり得ず,どこまでも収縮をし続けるしかない。その結果,ついには星の表面積が100km四方以下になると,星は事象の地平面の中に入ってしまい見えなくなる。つまり,ブラックホールができる。

 ブラックホールはまったく輝かないのだから,見つけることができないように一見思えるが,現実には,それが事象の地平面の外に及ぼす重力を知ることによってその存在を確認できる。われわれの銀河系にあるCygnus X-1と呼ばれる,はくちょう座のX線天体がその一つである。このX線源は,1000分の1秒という短い時間間隔で不規則に変化しているので,その大きさは,せいぜい光が1000分の1秒でいける距離,すなわち300kmになる。一方,このX線源は,9等星の超巨星と連星をなしていることが,光学望遠鏡による観測でわかった。この星のスペクトルを詳細に解析すると,この連星系の運動についての情報が得られた。地球が,太陽から1億5000万kmのところを1年で公転しているという,地球の運動についての知識から,ケプラーの第3法則によって太陽の質量がわかるのと同じようにして,この超巨星の運動についての知識から,X線源の質量は,太陽質量の少なくとも6倍以上であることがわかった。大きさが300km以下で,太陽質量の6倍以上である天体は,理論的にはブラックホールしかないことになる。同様の証拠によってブラックホールと考えざるを得ないX線源が,大マゼラン銀河に二つある。また,X線の変動が,はくちょう座のX線源によく似ているので,ブラックホールらしいと考えられているX線源が,私たちの銀河系に少なくとも二つある。

 ブラックホールのまわりでの粒子の運動は,太陽のまわりでの惑星の運動と比べて一つの大きな違いがある。もっとも内側の安定な円軌道(太陽質量の10倍のブラックホールでは半径90kmのところにある)というものが存在することである。これより外では,遠心力と重力がつりあった安定な円軌道が存在するが,これより内では安定な円軌道は存在せずに,粒子はブラックホールに吸い込まれる。はくちょう座X-1のような連星系では,超巨星から吹き出したガスが,まっすぐにはブラックホールに落ちずに,ブラックホールを取り巻く円板を形成する。ガスは粘性により徐々に小さい半径の円軌道に移っていき,半径が90km以下の円軌道になったときに,ブラックホールに吸い込まれて,二度と戻ってこない。ガスが半径90kmになるまでに,重力エネルギーが解放されて(その量は静止エネルギーの6%にも及ぶ),円板は数千万KとなりX線を放射する。つまり,ブラックホールからは光が出ないということと,ブラックホールのまわりのガスからX線が放射されることとは,矛盾しない。

超大質量のブラックホール

質量が太陽質量の100万倍から1億倍のブラックホールは活動的銀河中心核やクエーサーのモデルとして有力なものである。クエーサーは,渦状銀河の中心にあり,大きさが1光年以下にもかかわらず,1000億個の恒星からなる銀河系(大きさ10万光年)が出しているエネルギーの100倍以上のエネルギーを電波,赤外線,可視光そしてX線の形で放出している。1年に太陽質量程度のガスが,太陽質量の1億倍のブラックホールに,はくちょう座X-1に見られるようにして落下していくなら,上記の莫大なエネルギーを説明できる。これも,ブラックホールが,核エネルギー(静止質量の0.7%)より大きな6%以上のエネルギー変換率をもっているためである。いくつかの銀河の中心核にブラックホールが存在することを示唆する観測事実がある。今までのブラックホールは,恒星の進化,または銀河系の進化の結果できる。一方,太陽質量の1.4~3倍より小さいブラックホールは通常の重力崩壊ではできない。唯一の可能性は,宇宙初期の大きな密度ゆらぎによって生じた原始ブラックホールとしてである。しかし,原始ブラックホールが存在することを支持する観測事実はまだない。10億tくらいのミニブラックホールになると,大きさは10兆分の1cm四方の小ささになるので,もはや古典論のみでは扱えず,物質に対しては場の量子論を考慮する必要が出てくる。ホーキングS.Hawkingによると,10億t以下のブラックホールは,100億年(宇宙年齢)以内に,電磁波やニュートリノを放出して蒸発してしまう。この蒸発の過程を観測できれば,原始ブラックホールが確認できることになる。

時空構造

どのような質量にせよブラックホールは物質の重力崩壊の結果できる。物質のエネルギーは正であるというような物理的に妥当な条件の下で,重力崩壊により必然的に特異点が生ずることが示されている(特異点定理)。重力崩壊の過程は動的で複雑なものであるが,最終的には,定常な時空構造ができると考えられる。この最終時空構造はアインシュタイン方程式の軸対称定常解として得られる。球対称なシュワルツシルト解(1916),非回転で軸対称なワイル解(1917),回転しているカー解(1963),回転と歪みの入った冨松=佐藤解(1972)などが知られている。シュワルツシルト解は,カー解で回転がない場合である。上記の解のうち,カー解のみが,特異点が事象の地平面に囲まれているという構造をもつ。逆に,事象の地平面の外側に特異点が存在すること(裸の特異点と呼ばれる)を禁止すると(宇宙検閲仮定という),軸対称定常解は,カー解のみに限ることが示されている(唯一性定理)。特異点においては一般相対論は破綻(はたん)している。例えば潮汐力が無限大になっている。裸の特異点では,理論の破綻している点が見えるという矛盾をもっている。カー解では,特異点は見えないという構造をもっているので,事象の地平面の外側の現象を論ずる限り理論との矛盾はない。したがって,ブラックホールといえば,カー解を指すのが一般的である。カー解を特徴づける物理量は,質量と角運動量と電荷の三つである。重力崩壊する前の星はいろいろな性質をもっていたのにもかかわらず,ブラックホールになると,たった3本の毛(性質)しかもたないことになる(無毛定理)。

 物質が重力崩壊する過程では,重力波(時空の歪みが波動として伝わる)が放射される。ブラックホールができるときには,とくにブラックホールの準固有振動と呼ばれる重力波が励起される。これは,ちょうど寺の鐘の音のようなもので,鐘(ブラックホール)によって,音(重力波)の振動数と減衰率が違う。太陽質量の10倍のブラックホールの場合,振動数は1.2kHzで減衰時間は1000分の4秒である。この重力波を実際に測定しようという試みが,5tのアルミ棒またはレーザー干渉計を用いて世界で10以上のグループで試みられている。理論的には,重力崩壊の過程を大型コンピューターでシミュレートする数値的相対論が発展している。

 カーブラックホールでは,事象の地平面と無限赤方変位面が一致しない。このために,古典的には入射波より反射波のエネルギーが大きくなる超放射現象が起こる。量子論的には,クラインのパラドックス(ある種の強いポテンシャルのもとでは,正エネルギーの電子が負エネルギー状態へ遷移しうるという理論)と似た理由によって粒子の自然放出が起こり,回転エネルギーが失われる。シュワルツシルトブラックホールに対しては,不確定性原理に起因して光子の自発的放出がプランク分布で起こる。すなわち,ブラックホールは,質量に逆比例した温度の黒体放射をする。また,表面積に比例したエントロピーをもっているとみなしたブラックホールを含んだ系の熱力学も建設されている。

中村 卓史