質問: ブラックホール ブラックホールのことで 未だ解明されていない事 とは何ですか? また、それを解明する事 で(物理学・天文学におい て)どのような発展が期待 されるのですか? どうか教えて下さい ́`!!
回答: 理論的にかなり解明されています。実験的には、素粒子レベルの小さなブラックホールが作れるようになって、理論をかなり裏付けることに成功しているようです。 一時的に心配されて解決していることから。 電気を帯びていて回転していないブラックホールでは「裸の特異点」がむき出しになるということがあり得るとされたことがあります。特異点とはブラックホールの中心にある、密度無限大(質量は有限、でも体積が0)の点です(ブラックホールが回転しているとリングになる)。 特異点があると、それについては物理法則は一切通用しなくなります。どんな無茶苦茶なことが起こってもいいわけです。ペンローズという物理学者は「宇宙検閲定理」という仮説を唱えていて、この宇宙は特異点から守られていると主張していました(でないと、この宇宙は無茶苦茶だらけ)。 裸の特異点の可能性が示されるまでは、ブラックホールには、その中心からある距離(シュワルツシルト半径と呼ばれます)の「事象の地平面」と呼ばれる球面で覆われていて、その内部と外部は何も行き来できないことが分かっていました。ブラックホール内部中心の特異点で何が起こっても、この宇宙では物理法則は破られないわけです。 しかし、裸の特異点があり得るとなるとそうも言っていられません。しかしほどなく、電荷があって自転していないブラックホールはあり得ないことが示されました。電気による反発力が重力に打ち勝つため、どんな大きな星でも回転していなければブラックホールになれないことが分かりました。 もしブラックホールが回転していると、その中心は点ではなくリングの特異点になります。リングから向こうは、まったく別の時空になることまでは分かりました。しかし、そこを超えて行ったら、どこに出るのか、これは理論的に分かっていません。 ただ、ブラックホールの事象の地平面を超えるには無限大の時間がかかります。自称の地平面を超えて中心にたどり着くには、更にまた無限大の時間がかかります。ただ、これは外から見ていての話で、落ちて行く人がいたとしたら、その人にとっては有限の時間で中心までたどり着けます。ただその人にとっては、外界では2回も無限大の時間が経過します。 また、ホワイトホールと呼ばれるものもあるかどうか、分かっていません。ホワイトホールとは、事象の地平面の内部でブラックホールの時間が逆向きなものをいいます。特異点はなんでもありなんですから、ないとは言い切れません。ホワイトホールは外から見ている限りはブラックホールと何も変わりません。重力も普通と同じにあります。内部では、中心から外に向かって物質が飛び出そうとしていますが、それにも無限大の時間がかかります。ですから、中に入ってみないと何も分からないわけです。 しかし、実は心配する必要はなかったのです。ブラックホールは大きすぎる星が重力でつぶれて行ってできます。しかし、重力が強いほど、その表面では時間の進み方が遅くなります。ついには、星表面の時間が止まってしまいます。時間が止まるのですから、もうそれ以上つぶれることはできません。無限大より長い時間が経たないとブラックホールにはなれません。 そして、この宇宙は誕生してから有限の時間しか経っていないことは確実視されています。この宇宙が無限の過去から存在しているのではないかという説もあったのですが、観測事実からそうでないことが分かりました。 ならば、本当に中心に特異点を持ったブラックホールは、少なくとも現在はありません。ただ、星がつぶれて行って、表面で本当に時間停止するより前に光は星から出られなくなります。いわば、疑似ブラックホールですが、そういうものを現在でもブラックホールと呼んでいます。 しかし、宇宙が将来にわたって永遠に存在する可能性はあります。すると、ブラックホールに落ちて行けば、先ほど申し上げたように、落ちて行く人にとっては有限の時間で中心まで行けますから、そうなると、特異点までたどり着けます。点でもリングでもいいですが、物理法則の成り立たない世界を見ることができるかもしれません。リングの特異点を通り抜ければ、別の宇宙に出られるかもしれません。 しかし、それもなくなりました。上で述べたような疑似ブラックホールでも、仮に本当のブラックホールでもいいですが、有限の時間で消滅してしまうことが分かりました。 細かい話を省くと、ホーキング輻射と呼ばれる現象で、ブラックホールも光っていることが分かったのです。光るということは、エネルギーを放出しているということです。エネルギーと質量は等価なので、ブラックホールは徐々に質量を減らしていくことになります(ちなみに質量が小さいほど、激しく光り、急速に質量を失う)。最後には消えてなくなってしまいます。 もう、ブラックホールに落ちて行ってすら、事象の地平面の中に入れないし、そもそも疑似ブラックホールの表面は、できるはずだった事象の地平面の外です。そこへ行くのに無限大の時間が必要なのに、有限の時間でブラックホールはなくなってしまいます。 もしブラックホールに落ちて行ったら、こうなるでしょう。どんどんブラックホールに近づいていく、すると暗かったはずのブラックホールが輝きだし、どんどん激しくなって小さくなっていく。そしてブラックホールは消えてしまい、単にブラックホールがあったはずの場所を通過してしまう。 ホーキング輻射を理論的に発見したホーキング博士は、「それでも、もし宇宙が誕生した時から、既にブラックホールがあったら、宇宙でホーキング輻射しながら消えて行くブラックホールが観測できるかもしれない」と言って期待はしています。そして、特異点については、量子力学で考えたら、特異点というものはなく、彼が名づけた「量子の泡」というものがあるのではないかとも言っています。 しかし、それでも謎は残っています。疑似ブラックホールであっても、ブラックホールになる前の星の「情報」を飲み込んでしまいます。情報も「エントロピー」を持っています。ブラックホールが焼失した後、もともとはあったはずの、情報のエントロピーがどうなるかは分かっていません。つまり、ブラックホールが消え去った「跡地」に何か残るのか、残らないのか、残るとしたら何があるのか、といったことは分かっていません。 それでも、ブラックホールに関心が寄せられるのは、光すら逃げ出せなくなるような強い重力環境で何か新しい発見・検証があるかもしれないからです。実際、重力レンズなどは一般相対論の検証として重要でした。