ブラックホール
ブラック ホールは、重力が非常に強いため、event horizon を横切るものは何も逃げられない時空の領域であり、銀河中心の巨大な星の崩壊、合体、または巨大なコンパクトな天体の成長によって形成されます。
ブラックホールとは何か
ブラックホールは宇宙にある空の穴ではありません。それは、物質とエネルギーが時空を強く湾曲させている領域であり、event horizon と呼ばれる境界を越えると、将来のあらゆる経路は内側を向いています。その境界を越えるものは、たとえ光であっても、信号を送り返すことはできません。ブラックホール自体は暗いですが、周囲の物質、星、ガス、光によってブラックホールがどこにあるのかがわかります。
事象の地平線と特異点
event horizon は後戻りできない地点です。それは惑星のような硬い表面ではなく、時空の境界です。単純な数学モデルでは、内部のすべてが特異点に向かって崩壊し、密度と曲率が無限になります。物理学者はその無限を完全な答えとして扱いません。これは、general relativity がその範囲を超えており、おそらく量子重力を含むより深い理論が必要であることを示しています。
ブラックホールがどのように形成されるか
巨大な星が核燃料を使い果たし、その中心が重力で崩壊すると、多くのブラックホールが形成されます。残っている核が十分に大きい場合、既知の圧力によって崩壊を止めることはできません。ブラックホールは、ガス、塵、星を引き込むことによって、または他のブラックホールと合体することによって成長することもあります。銀河中心にある超大質量ブラックホールは、初期の種子形成、急速な摂食、度重なる合体の組み合わせによって成長した可能性がありますが、その初期の歴史は依然として活発な研究課題です。
ブラックホールの種類
恒星質量ブラックホールは通常、崩壊した大質量星から形成されます。超大質量ブラックホールには太陽の数百万倍から数十億倍の質量が含まれており、Milky Way の Sagittarius A* を含む多くの銀河の中心に位置しています。中質量ブラックホールは恒星ブラックホールと超大質量ブラックホールの間のギャップを埋める可能性がありますが、確認するのはより困難です。原始ブラックホールは、宇宙初期に形成された可能性がある仮説上の天体ですが、何も確認されていません。
私たちが観察できること
天文学者は event horizon の内部を見ることはできませんが、ブラック ホールの周囲の環境を観察することはできます。内側に落下するガスは、X-rays やその他の波長で輝く高温の降着円盤を形成する可能性があります。目に見えないコンパクトな天体を周回する星は、その質量を明らかにすることができます。ジェットは、ブラックホールを供給している近くの領域から発射される可能性があります。重力波は合体を明らかにすることができます。地球全体に接続された電波望遠鏡は、近くの超大質量ブラック ホールの周囲の影のような領域を画像化できます。
Event Horizon Telescope 画像
2019 年、Event Horizon Telescope は、銀河 Messier 87 内の超大質量ブラック ホール M87* を示す、ブラック ホールの影の最初の画像を公開しました。 2022 年に、このコラボレーションは Milky Way の中心にあるブラック ホールである Sagittarius A* の画像を公開しました。これらの画像には、event horizon が表面として直接表示されていません。これらは、ブラック ホールの周囲で重力によって光が曲がっており、general relativity と一致する明るいリングと暗い中央の影を形成していることを示しています。
相対性理論、時間、重力
ブラック ホールは、アインシュタインの general relativity の最も明確な予測の 1 つです。ブラックホールの近くでは、重力によって光の経路が変化し、遠くの観測者に比べて時間が引き伸ばされ、極度の潮汐力が発生します。小さなブラックホールの場合、地平線近くの潮汐重力によって物体が劇的に引き伸ばされる可能性があり、このプロセスはスパゲッティフィケーションと呼ばれます。超大質量ブラックホールの場合、地平線を越えると脱出は依然として不可能であるにもかかわらず、地平線の局所的な暴力ははるかに少なくなる可能性があります。
なぜ重要なのか
ブラック ホールが重要なのは、ブラック ホールが物理学における最大の疑問と最小の疑問を結びつけるためです。彼らは銀河を形成し、クエーサーや高エネルギージェットを生成し、重力波を生成し、general relativity をテストし、重力、量子力学、情報、熱力学の間の緊張を明らかにします。ブラックホールを研究することは、科学者が銀河がどのように進化するか、極限条件下で時空がどのように動作するか、現在の理論がどこで十分ではなくなるかを理解するのに役立ちます。