ブラックホールの紹介

4 月 10 日: 全米科学財団が提供した配布資料の写真では、イベント ホライズン テレスコープが銀河 M87 の中心にあるブラック ホールを捉えています。 2019 年 4 月 10 日に公開された画像。6 つの山と 4 つの大陸にある 8 つの電波観測所のネットワークである EHT は、おとめ座にある超巨大楕円銀河であるメシエ 87 のブラック ホールを、2019 年 4 月に 10 日間、断続的に観測しました。 2017年にイメージを作る。

国立科学財団/ゲッティイメージズ

ブラック ホールは宇宙の物体であり、非常に多くの質量が境界内に閉じ込められているため、非常に強い重力場を持っています。実際、ブラックホールの重力は非常に強く、一度入ってしまうと何も逃げることができません。ブラックホールからは光さえ逃れられず、星やガス、ちりと一緒に内部に閉じ込められています。ほとんどのブラック ホールには太陽の何倍もの質量が含まれており、最も重いものは数百万の太陽質量を持つ可能性があります。

このコンピューターでシミュレートされた画像は、銀河の中心部にある超大質量ブラック ホールを示しています。中央の黒い領域は、ブラック ホールのイベント ホライズンを表しており、この巨大な天体の重力グリップから逃れることのできる光はありません。ブラック ホールの強力な重力は、ファンハウスの鏡のように周囲の空間をゆがめます。背景の星からの光は引き伸ばされ、星がブラック ホールのそばをかすめます。 NASA、ESA、および D. Coe、J. Anderson、および R. van der Marel (宇宙望遠鏡科学研究所)、Science Credit: NASA、ESA、C.-P. Ma (カリフォルニア大学バークレー校)、および J. トーマス (マックス プランク地球外物理学研究所、ガルヒング、ドイツ)。

その質量にもかかわらず、ブラックホールの核を形成する実際の特異点は、見られたり画像化されたりしたことがありません。言葉が示すように、それは空間の小さな点ですが、大量の質量を持っています.天文学者は、周囲の物質への影響を通してのみ、これらのオブジェクトを研究することができます.ブラック ホールの周りの物質は、後戻りできない重力点である「事象の地平線」と呼ばれる領域のすぐ向こうにある回転する円盤を形成します。

ブラックホールの構造

ブラック ホールの基本的な「ビルディング ブロック」は特異点です。つまり、ブラック ホールのすべての質量を含む空間の特定の領域です。その周りには光が逃げられない空間があり、「ブラックホール」と名付けられました。この領域の外側の「端」は、事象の地平線を形成するものです。重力場の引力が 光の速度 .また、重力と光速のバランスが取れている場所でもあります。

事象の地平線の位置は、ブラック ホールの引力に依存します。天文学者は、方程式 R を使用して、ブラック ホールの周りの事象の地平線の位置を計算します。_s= 2GM/c². R は特異点の半径、 G は重力、 M は質量、 c は光速です。

ブラックホールの種類とその形成方法

ブラックホールにはさまざまな種類があり、さまざまな方法で発生します。最も一般的なタイプは、恒星質量ブラック ホールとして知られています。 . これらは大まかに私たちの太陽の数倍の質量を含み、大きくなると形成されます 主系列 恒星 (太陽の質量の 10 ～ 15 倍) は、中心部で核燃料を使い果たします。結果は大盛況 超新星爆発 星の外層を宇宙に吹き飛ばします。残されたものは崩壊してブラックホールを作ります。

超大質量星が崩壊し、近くの星から放出された物質から供給されたときに形成された可能性が高い恒星質量ブラック ホール (青色) のアーティストの概念。 ESA、NASA、フェリックス ミラベル)

他の 2 種類のブラック ホールは、超大質量ブラック ホール (SMBH) とマイクロ ブラック ホールです。単一の SMBH には、数百万または数十億の太陽の質量を含めることができます。マイクロ ブラック ホールは、その名前が示すように非常に小さいものです。それらの質量は、おそらく 20 マイクログラムしかないかもしれません。どちらの場合も、それらの作成メカニズムは完全には明らかではありません。マイクロブラックホールは理論上存在しますが、直接検出されたことはありません。

超大質量ブラック ホールは、ほとんどの銀河の中心部に存在することがわかっており、その起源については今でも熱く議論されています。超大質量ブラック ホールは、より小さな恒星質量ブラック ホールと他のブラック ホールの合体の結果である可能性があります。 案件 .一部の天文学者は、単一の非常に質量の高い (太陽の質量の数百倍) 星が崩壊するときに作成される可能性があると示唆しています。いずれにせよ、それらは、星の誕生率への影響から星の軌道やその近くの物質に至るまで、多くの方法で銀河に影響を与えるのに十分な大きさです.

多くの銀河の核には超大質量ブラックホールがあります。それらが活発に「食べている」場合、それらは巨大なジェットを放出し、活動銀河核として知られています。 NASA/JPL-カリフォルニア工科大学

一方、マイクロブラックホールは、2つの非常に高エネルギーの粒子の衝突中に作成される可能性があります.科学者は、これが地球の上層大気で継続的に発生し、CERN などの場所での素粒子物理学実験中に発生する可能性が高いことを示唆しています。

科学者がブラックホールを測定する方法

事象の地平線の影響を受けるブラック ホールの周囲の領域から光が逃げることができないため、実際にブラック ホールを「見る」ことはできません。ただし、天文学者は、環境への影響によってそれらを測定し、特徴付けることができます。他の天体の近くにあるブラック ホールは、それらに重力効果を及ぼします。 1つには、質量はブラックホールの周りの物質の軌道によっても決定できます。

加熱された電離物質に囲まれたブラック ホールのモデル。これは、天の川銀河のブラック ホールが「見える」ものかもしれません。 Brandon DeFrise Carter、CC0、ウィキメディア。

実際には、天文学者はブラック ホールの周りで光がどのように振る舞うかを調べることで、ブラック ホールの存在を推測します。ブラック ホールは、すべての巨大な天体と同様に、通過する光の経路を曲げるのに十分な引力を持っています。ブラック ホールの背後にある星がブラック ホールに対して相対的に移動すると、それらが発する光がゆがんだり、星が異常な方法で動いたりするように見えます。この情報から、ブラックホールの位置と質量を決定することができます。

これは銀河団で特に顕著で、銀河団の総質量、暗黒物質、および ブラックホールは奇妙な形の弧と輪を作る より遠くの物体の光が通り過ぎるときに曲げることによって。

天文学者はまた、電波やX線など、周囲の加熱された物質が発する放射によってブラックホールを見ることができます.その物質の速度は、それが脱出しようとしているブラック ホールの特性に関する重要な手がかりにもなります。

ホーキング放射

天文学者がブラック ホールを検出できる最後の方法は、 ホーキング放射 .有名な理論物理学者および宇宙論者にちなんで名付けられました スティーブン・ホーキング 、ホーキング放射は、エネルギーがブラック ホールから逃げることを必要とする熱力学の結果です。

基本的な考え方は、真空中の自然な相互作用とゆらぎにより、物質は電子と反電子（陽電子と呼ばれる）の形で作られるというものです。これが事象の地平線近くで発生すると、一方の粒子はブラック ホールから放出され、もう一方の粒子は重力井戸に落ちます。

観測者にとって「見える」ものは、​​ブラック ホールから放出される粒子だけです。粒子は正のエネルギーを持っていると見なされます。これは、対称性により、ブラック ホールに落ちた粒子が負のエネルギーを持つことを意味します。その結果、ブラック ホールは年をとるにつれてエネルギーを失い、したがって質量を失います (アインシュタインの有名な方程式 E=MC によります)。²、 どこ と =エネルギー、 M =質量、および ハ は光速です）。

によって編集および更新されましたキャロリン・コリンズ・ピーターセン。