ブラックホールのすべて | 吸い込まれても大丈夫?

ブラックホールのすべて | 吸い込まれても大丈夫?

ブラックホール

ブラックホール,大きさ,重力
ブラックホールとは、きわめて高密度であり、重力が強く光さえも脱出不可能な天体のことです。

 

ブラックホールはどれほどの大きさで、どこにあるのでしょうか。

 

また、もしブラックホールに吸い込まれてしまったらどうなってしまうのでしょうか。

 

実はある条件を満たす場合のみ、ブラックホールに吸い込まれても大丈夫なのです。

 

その条件とは何なのでしょうか。

 

現在の科学力では説明できない神秘の天体、ブラックホールについて詳しく紹介します。

ブラックホールは発見より予想が先

ブラックホールは誰もが知っている天体ですが、ブラックホールが初めて観測されたのはなんと2019年4月10日。

 

それまでは、ブラックホールの存在を推定しているに過ぎなかったのです。

 

ブラックホールの歴史は驚くほど古く、1784年11月、イギリスの天文学者、ジョンミシェルが好奇心でその物体を予測したことが始まりです。

 

ミシェルは、太陽の500倍の大きさになると、光すら抜け出せなくなる物体になると結論付けました。

 

その後、多くの天文学者や物理学者がブラックホールの理論を計算し、ブラックホールの特徴を研究しました。

 

理論上は存在するブラックホールですが、それは単なる机上の空論に過ぎなかったのです。

 

1970年になると、X線天文学が発達し始めます。

 

それまでは天体観測は主に可視光線で行われていました。

 

可視光線とX線は何が異なるのでしょうか。そもそもX線とは何なのでしょうか。

 

可視光線もX線も電磁波であり、性質は全く同じです。

 

電磁波というと難しそうですが、実は非常に単純です。

 

電磁波とは空間の電場と磁場の変化によって形成される波(波動)のことです。

 

要するに、単純に波。

 

波長の違いで様々な種類の電磁波に分類されます。

 

ブラックホール,大きさ,重力

 

私たちが普段目にしているものは、すべて電磁波です。

 

電磁波の中で波長が360-830nmのものが可視光線で、紫、青、緑、黄色、赤などはすべて電磁波の周波数の違いで表現されます。

 

私たちの目は、電磁波のうち、360-830nmの波長を感知する能力があり、この能力が視力そのものです。

 

例えば、波長が400nm程の電磁波が紫であり、波長は短め。

 

赤は、可視光線の中で、最も波長が長い700nm程の電磁波です。

 

雨上がりにできる虹の色は、いわゆる虹色であり、360-830nmの電磁波を拡散しています。

 

目に見える赤色よりも波長が長くなると、目で見ることはできなくなりますが、電磁波は存在します。

 

それが赤外線で、太陽光の暖かさそのものになります。

 

 

赤外線よりも波長が長い電磁波が、「電波」です。

 

携帯電話や地デジ、ブルートゥース、WiFiは可視光線と全く同じ単なる電磁波でり周波数が異なるだけです。

 

電波はさらに細かく分類されています。

 

赤外線よりも波長が長い電磁波がマイクロ波。

 

マイクロ波は軍事レーダーや通信に使われますが、最も有名なのが電子レンジ。

 

電子レンジは電波を食べ物に照射し、水分子と共鳴し振動させることで、内部から物を温めることができます。

 

要するに、電子レンジは電波発生装置を取り付けて、電波が外に漏れないように工夫している箱というわけです。

 

マイクロ波よりも波長が長いものは順に、サブミリ波、ミリ波・・・・短波、中波、長波など、無数に名前がついていますが、すべて単純に波長の長さで分類しているだけです。

 

超短波はテレビなどに利用され、短波は無線、極極超長波は潜水艦の通信に利用されます。

 

波長が長くなると、建物の中や鉱山の中、さらには海深くに潜る潜水艦にすら電波を届けることが可能になります。

 

逆に波長が短いと、建物の壁や窓ガラスなど、わずかな障壁すら透過しなくなります。

 

ならば、もし、携帯電話に波長が長い超長波や極極超波などを利用すれば、建物のなかや地下、山奥のどこでもつながると思われます。

 

確かに携帯はどこでもつながるようになりますが、通信速度が遅くなります。

 

実際に潜水艦は極極超長波を使って海の中で司令部から指令を受信しますが、その情報量は1分に数文字程度の情報しか送信できません。

 

よって、司令を単純なコードに変換して通信を行っているほどです。

 

逆に、携帯が4Gから5G、利用する電磁波の波長が短くなり、情報量が多くなるため高速で遅延なく通信することができるようになります。

 

一方、電波が届きにくくなるため、基地局は多くなり、電波を狙った方向に集中させる技術などが用いられます。

 

可視光線の波長がナノメートルサイズですが、潜水艦の通信に利用する電磁波の波長は、なんと1000qという長さになりますが、どちらも単純に「波」であり、どちらも同じ電磁波です。

 

 

ここまでが可視光線よりも波長が長い電磁波です。

 

一方、可視光線よりも波長が短い電磁波も存在します。

 

有名なのが紫外線。
ブラックホール,大きさ,重力
By (Hgrobe 06:16, 26 April 2006 (UTC)) - credit: Hannes Grobe/AWI - Own work, CC BY-SA 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=567773

 

波長が長くなる赤外線は熱的な作用が多い一方、紫外線は化学作用が多くなります。

 

殺菌作用や皮膚刺激作用などです。

 

そして、紫外線よりも波長が短いものがX線です。

 

ではなぜ、ブラックホールや宇宙の観測にX線が使われるのでしょうか。

 

電磁波は波長が短いほどエネルギーが高くなります。

 

可視光線よりもX線の方がエネルギーが高いのです。

 

太陽の表面温度は約6000℃。

 

太陽ほどの熱エネルギーを持つ天体は、主に可視光線を発生させ、可視光線で観測することが可能です。

 

しかし、宇宙にはさらに大きなエネルギーを持つ天体が無数に存在します。

 

超高温で高エネルギーの天体は、可視光線よりもX線を多く発生させます。

 

そう、要するに、可視光線をほとんど発生させず、より高エネルギーのX線を多く発生させる天体が宇宙にはたくさんあるのです。

 

よって、X線を観測することで、今まで見えなかった画像が見えるようになるというわけです。

 

X線のエネルギーは高エネルギーですが、地球の大気によって減衰されるため、地上まで届く量はごくわずか。宇宙で観測することが重要です。

 

 

1970年、アメリカは世界で初めてX線観測用の人工衛星ウルフを打ち上げます。

 

人工衛星ウルフは、宇宙空間でX線の観測を開始。

 

すると、予想通り、今まで見えなかったX線のデータが広がります。

 

X線を解析すると、太陽よりも重く巨大な中性子性やパルサーがX線の発生源であることを突き止めます。

 

可視光線では見えなかった、中性子性やパルサーをX線で見ることによって、今まで知ることができなかった特徴を発見することができるようになったのです。

 

X線のデータを解析していくと、今までの研究では説明がつかないデータが出てきました。

 

はくちょう座X-1という天体です。

 

はくちょう座X-1をいくら詳しく解析しても、従来の天体の特徴に全く当てはまらいのです。

 

興味を持った天文学者や科学者たちが精密に分析した結果、はくちょう座X-1は何かを中心に高速回転していることがわかります。

 

しかし、中心にある天体を観測しようとしても、そこには何も発見されません。そうブラックホールです。

 

これが、ブラックホールが間接的に観測された瞬間でした。

 

その後、さらに解析した結果、はくちょう座X-1の公転速度は、太陽の約30倍の質量を持つ物体が自己重力崩壊した物体であることが計算され、ブラックホールのサイズと質量が推定されました。

 

その後、ブラックホールの研究がすすめられ、2011年8月にはX線観測装置が世界で初めてブラックホールと思われる物体に星が吸い込まれる様子を観測。

 

そしてついに2019年4月、ブラックホールの輪郭であるブラックホールシャドウを観測。ブラックホールを直接観測することに成功したのです。

ブラックホールの作り方

ブラックホール,大きさ,重力
すべての物質、さらには光さえも吸い込むブラックホールはどのように誕生したのでしょうか。

 

ブラックホールの誕生と成長は重力が深く関係しています。

 

自然界には4つの基本的な力が存在します。

 

電磁相互作用、弱い相互作用、強い相互作用、重力です。

 

この中で、最も弱い力が重力です。

 

地球に住む我々にとって、重力は絶大な力を持っているように感じます。

 

ボールを真上に投げても、地球が持つ重力によってすぐにボールは落ちてきます。

 

わずか数十センチの段差から飛び降りただけで、体に大きな負担がかかるほど重力は強い力に感じます。

 

しかし、ほかの電磁相互作用、弱い相互作用、強い相互作用に比べれば、重力は異常なほど弱い力です。

 

どういうことでしょうか。

 

実は重力はすべての物体に発生しています。

 

例えば、ボーリングのボール。このボールは重力を生み発生させています。

 

ボーリングの玉を二つ、並べると、ボーリングの玉同士は互いが発生させた重力によって引かれあっています。

 

しかし、重力があまりにも弱いため、ボーリングの玉同士が動くことはありません。

 

一方、非常に小さな磁石でも、近づけると強力に引き合いくっつきます。

 

磁石は電磁相互作用であり、重力に比べてあまりにも大きな力なのです。

 

弱い相互作用、強い相互作用も大きな力を持っており、例えば強い相互作用は電磁相互作用の137倍の作用があります。

 

重力の力は非常に弱いですが、物質が集まるとその力はどんどん大きくなります。

 

ボーリングの玉程度では重力を感じることはありませんが、地球サイズになると地表で1Gという重力を感じることになります。

 

物体の質量が大きく、そして密度が高いほど重力は強くなるのです。

 

太陽は全太陽系の質量の99.8%の質量を持つ巨大な天体で、地球の質量の30万倍というサイズです。

 

よって、太陽の重力は地球の28倍と強力です。

 

宇宙には太陽よりも巨大な星が無数にあり、大きくなれば大きくなるほど重力が強くなります。

 

しかも、重力と物質の重さによって、星の中心はどんどん圧力が高くなります。

 

質量が大きくなればなるほど、物質をつなぎ留め、中心に圧縮する力が大きくなります。

 

中心へ圧縮する重力と、先ほど紹介した3つの力が釣り合うことで天体は形を保っています。

 

太陽も地球も、重力と物質の反発力によって、球体を保っています。

 

しかし、どんどん天体を大きくしていくと、重力がどんどん大きくなり、3つの力を上回るポイントがやってきます。

 

この瞬間、重力によって中心に向けて一気に崩壊。

 

崩壊で中心の密度が上がり重力がさらに強くなるというループに陥ると、このループが無限になり、ついに重力が計算上無限大になります。

 

これがブラックホールそのものであり、ブラックホール誕生の瞬間です。

 

太陽や地球など現在安定している星は重力崩壊を起こしません。

 

重力と物質の反発力が釣り合っているためです。

 

しかし、太陽のように星が燃え尽きていくと、次第に星が収縮して重量崩壊を起こします。

 

もう少しブラックホール誕生について詳しく見てみます。

 

太陽はブラックホールになれません。

 

それは質量が足らないためです。

 

現在、太陽の中心では、高温、高圧によって水素がヘリウムに変換される核融合反応が絶えず起こっています。

 

核融合によって中心から爆発しようとする力と、重力によって押さえつける力が釣り合って、太陽の形が保たれています。

 

しかし、この状況は長くは続きません。

 

水素がヘリウムに変換されて続けると、次第に水素が減っていき、ヘリウムが中心にたまっていきます。

 

ヘリウムはさらに大きな圧力を加えると、核融合を開始しますが、太陽の大きさでは、中心の圧力はヘリウムが核融合する圧力に満たないため、核融合が停止します。

 

一方、中心から離れた場所で水素の核融合が始まるため、核融合のエネルギーで太陽が膨張。

 

太陽は巨大化し、現在の数十倍サイズとなります。

 

一方、ヘリウムで満たされた太陽中心部は核融合が起こらないため重力によって収縮を開始。

 

その結果、中心部のヘリウム圧力が上昇、ヘリウムが核融合を始めます。

 

ヘリウムが燃え尽きると、太陽は次第に燃えなくなり、ガスを放出、どんどんとしぼんでいき、白色矮星になって冷えていき生涯を終えます。

 

 

太陽よりも質量が30倍を超える大きな星になると全く異なる生涯をたどります。

 

太陽と同様に、水素が核融合しヘリウムへ、ヘリウムが核融合し炭素や酸素になります。

 

さらに、酸素や炭素が核融合するなど、どんどん核融合を繰り返し、最終的に鉄が作られます。

 

鉄は、原子のなかでもっとも固く結合されているため、それ以上核融合は起こりません。

 

すると星の中心には鉄がどんどんたまっていきます。

 

鉄がたまっていくと鉄やその星が生み出す重力でどんどん押しつぶされていきます。

 

重力の強さは増していき、ついに陽子や電子の間に働く力を上回り、鉄原子が中性子に変化し始めます。

 

中性子はそれ以上縮まない縮退圧を持っていますが、重力が縮退圧を上回った瞬間、ついに星の収縮を止めるものがなくなります。

 

この瞬間、星が一気に収縮、密度が無限大、重力も無限大となり、ブラックホールが誕生するのです。

ブラックホールの成長

ブラックホール,大きさ,重力
ブラックホールが誕生すると、ブラックホールに近づくものは光さえもすべて吸収します。

 

よって、ブラックホール周辺の星はすべてブラックホールが吸い込み、ブラックホールが成長していきます。

 

こうやってブラックホールは成長を続けます。

 

ブラックホールの重力が働くエリアの物資をすべて吸収し終えると、ブラックホールの成長は止まります。

 

すべてを吸収し、光さえも脱出を許さないブラックホールは、永遠に成長を続けそうですが、そうではありません。

 

ブラックホールは実はわずかにエネルギーを放出し、次第にしぼんでいきます。

 

詳細は別動画で紹介しますが、ブラックホールはホーキング放射で寿命を迎えるのです。

 

ブラックホールはある程度大きくなると、吸収するものが周りからなくなり、成長がストップ。

 

大きさに上限があるということです。

 

しかし、銀河系の中心には、太陽のサイズの10の10乗という途方もなく巨大なブラックホールが存在し、その重力の影響力は、銀河サイズとなっています。

 

これほどの巨大ブラックホールになると、なぜ巨大なブラックホールに成長するのか説明ができず、ブラックホールが先か、銀河が先かという根本的な問題すら議論される状況です。

ブラックホールに吸い込まれるとどうなるか

ブラックホールに吸い込まれると、バラバラに砕け散り生きることはできない。吸い込まれても大丈夫といういろいろな情報があります。

 

実際はどうなのでしょうか。

 

結論から言えばブラックホールに吸い込まれると粉々に砕かれますが、ある特定の条件の場合のみ、無傷で済みます。

 

ブラックホールといえど、ブラックホールは重力を持った単なる天体です。

 

地球の空から落ちていくように、ブラックホールの重力圏内では同様に落ちていくだけです。

 

よってブラックホールに吸い込まれても全く問題ないように感じますが、最も異なるのが、重力の強さです。

 

ブラックホールの重力はあまりにも強力であるため、ブラックホールとの距離によって重力の強さに差が生まれ、この重力の強さの差が命運を分けるのです。

 

地球を例に見てみましょう。

 

地球上はどこでも重力が同じように感じますが、実は高度が高いほど重力が小さくなります。

 

実際に、海抜0mの時に比べ、エベレストの山頂では重力は0.28%ほど小さくなります。

 

下の方が重力が強く、上の方が重力が弱いため、引き延ばされるように重力が作用します。

 

これは潮汐力といいます。

 

潮汐力は密度が大きく、重力が大きいほど、また、重力の中心に近づくほど大きくなります。

 

例えば足をブラックホールに向けて吸い込まれ始めると、ブラックホールに近い足の先の重力が強く、頭は重力が弱くなります。

 

この潮汐力によって、引き伸ばす力が働きます。

 

さらに中心に近づくと、潮汐力はさらに強くなり、体はバラバラになってしまいます。

 

その後も潮汐力はどんどん強くなり、物質の結合すら引きちぎるほどの潮汐力となり、体は原子や電子、さらには素粒子にまで分解され宇宙の塵にすらなりません。

 

では、ブラックホールに落ちても大丈夫な条件とは何でしょうか。

 

それは、ブラックホールが巨大であり、事象の地平線でも潮汐力が小さい場合です。

 

どういうことでしょうか。

 

ブラックホールは中心ほど重力が強くなり、中心に近づくと光さえも抜け出せなるラインが存在します。

 

事象の地平線です。

 

重力が強いほど光さえ吸い込む事象の地平線が大きくなります。

 

ブラックホールが巨大であればあるほど、事象の地平線と、重力の中心との距離が遠くなり、事象の地平線の潮汐力が弱くなり、無傷で吸い込まれることが可能なのです。

 

しかし、注意点があります。

 

事象の地平線は、それより先を見ることができないだけであり、実際にブラックホールに吸い込まれると、地平線を超えてブラックホールの中心まで落ちていきます。

 

そして、最終的には潮汐力によって、原子以下のサイズまで粉々になります。

 

まとめると、ブラックホールに吸い込まれれば、必ず粉々になります。

 

ただし、ブラックホールが超巨大で、事象の地平線の潮汐力が弱ければ、見える範囲内では無傷のままいられるというわけです。

 

 

事象の地平線の向こう側は、我々人間が数千年にもわたり進化させてきた数学、物理学がすべて崩壊するエリアです。

 

全く未知の領域であり、あらゆる学問や人間の想像すら通用しないエリアというわけです。

 

1800年代、フランスの小説家ジュール・ヴェルヌが「人間が想像できることは、人間が必ず実現できる」と発言しました。

 

空を飛ぶことを夢見た人間は、不可能であるはずの飛行機を完成させました。

 

宇宙という存在を想像すらできなかった人間が、宇宙の存在を発見し、それまで想像すらできなかった宇宙飛行を想像し、想像を形にする努力を持って宇宙飛行を実現しました。

 

タイムマシンは実現不可能に感じますが、ジュール・ヴェルヌが正しければ、時間移動は人間が想像できるためいづれ実現します。

 

しかし、ブラックホールの中は、現在の科学が通用せず、想像すら不可能な領域です。

 

ブラックホールの中身を知る第一歩は、人間が想像できるようになることから始まります。

 

ブラックホールを解明するには、まだまだ遠い未来かもしれません。



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