#23 ブラックホールって結局なに？ ― 時空が曲がると、なぜ光も逃げられないの？

宇宙の話の続きになるんだけど、宇宙といえばブラックホールがあるって聞いたことあるよね？

なんでも吸い込んじゃう大きなやつって感じで。

でもブラックホールって一体何なんだろう、吸い込んだものはどこに行ってるの？光すらも逃げられないってどういうこと！？

じゃあ調べてみよう！ブラックホールって結局なに？ ― 時空が曲がると、なぜ光も逃げられないの？

この話も難しいけど面白いから読んでいってね。

結論

結論からいうと、ブラックホールは「宇宙に開いた穴」ではなく、重力によって時空が極端に曲がった領域です。

重力があまりにも強いため、ある境界を越えると光でさえ外へ戻れなくなります。

その境界が、

事象の地平面

です。

ブラックホールの面白いところは、単に「ものすごく重い天体」というだけではなく、

空間だけでなく、時間の進み方まで変えてしまう

ところにあります。

そもそもブラックホールって何？

ブラックホールは、非常に大きな質量がとても狭い範囲に集まった天体です。

代表的なものは、重い恒星が一生の終わりに崩壊してできると考えられています。

恒星は内部で核融合を行っていて、そのエネルギーが重力で押しつぶされるのを支えています。

しかし核融合の燃料が尽きると、その支えが弱くなります。

すると星自身の重力によって内部が一気に崩壊し、条件によってはブラックホールになります。

「穴」というより、時空のゆがみ

ブラックホールという名前から、

宇宙空間に穴が開いている

ようなイメージを持つかもしれません。

でも実際には、そういう単純な穴ではありません。

アインシュタインの一般相対性理論では、重力は

物体が時空を曲げることで生まれる

と考えます。

そもそも「時空」って何？

普段、私たちは空間を3つの方向で考えます。

• 縦
• 横
• 高さ

この3つを合わせたものが、

3次元空間

です。

そこに、

時間

を加えて考えたものが、

4次元時空

です。

つまり、

3次元の空間＋1次元の時間＝4次元時空

ということです。

私たちは、この4次元時空の中で生きていると考えられています。

重いものがあると時空が曲がる

よく使われる例えが、

ゴムシートの上に重いボールを置く

というものです。

ゴムシートに重い球を置くと、周囲がへこみます。

そこへ小さな球を転がすと、そのへこみに沿って進みます。

これが重力のイメージです。

ただし本当は、2次元のゴムシートが曲がっているのではなく、

3次元空間と時間を合わせた4次元時空が曲がっている

と考えます。

ブラックホールでは何が起きている？

ブラックホールは、非常に大きな質量が極端に小さな範囲へ集まっています。

そのため、

時空の曲がり方が異常に大きくなります。

普通の星や惑星でも時空は曲がっています。

地球も太陽も時空を曲げています。

ただしブラックホールでは、その曲がり方が桁違いです。

なぜ光も逃げられないの？

ここが最大のポイントです。

光は宇宙でもっとも速く進むものです。

それでもブラックホールから逃げられません。

これは、

光が重力に引っ張られて遅くなるから

というより、

光が進める未来の方向そのものが、ブラックホールの中心方向へ傾いてしまう

と考える方が正確です。

「未来へ進むこと」が内側へ進むことになる

これは少し不思議です。

事象の地平面の外側では、光は外方向にも進めます。

でも地平面の内側では、時空の構造そのものが極端に曲がっているため、

未来へ進む限り、中心方向へ進まざるを得ない

状態になります。

イメージとしては、

川の流れに例えると分かりやすいです。

激流の川に例えると

川を泳いでいるとします。

流れが弱ければ、頑張れば上流へ戻れます。

でも下流へ行くほど流れが速くなって、

泳ぐ速さより川の流れのほうが速くなった

とします。

そこから先では、どれだけ上流へ泳ごうとしても流されてしまいます。

ブラックホールの事象の地平面も、イメージとしてはこれに近いです。

光は常に最速で進んでいますが、

時空の流れのようなものが、それ以上に内側へ向かう

ため、外へ出られなくなります。

事象の地平面って何？

事象の地平面は、

ここを越えたら外へ情報を送れなくなる境界

です。

そこに固い壁があるわけではありません。

境界線を越えた瞬間に、

「ドン」

と何かにぶつかるわけでもありません。

ただし、一度内側へ入ると、

光ですら外へ戻れない

という決定的な境界です。

外から見るとどう見える？

ブラックホールへ落ちていく人を、遠くから見ているとします。

一般相対性理論では、その人が事象の地平面へ近づくほど、

時間の進み方が遅く見えます。

そして発する光もどんどん赤っぽくなって弱くなります。

最終的には、外から見ると地平面の手前で止まったように見えながら、徐々に暗くなって見えなくなります。

本人はどう感じる？

本人自身の感覚では違います。

ブラックホールが十分に大きく、地平面付近の潮汐力が小さい場合、

事象の地平面を越えた瞬間に特別な壁を感じるとは限りません。

本人の時計は普通に進みます。

そして、そのまま中心方向へ落ちていきます。

そこで出てくる「スパゲッティ化」

ブラックホールへ近づくと有名な現象があります。

それが、

スパゲッティ化

です。

これは正式な物理学用語としても使われる表現です。

なぜ細長く伸びるの？

ブラックホールの重力は、中心に近いほど強くなります。

例えば足からブラックホールへ落ちるとします。

足は頭よりブラックホールに近いので、

足のほうが強く引っ張られます。

すると、

頭
↓
体
↓
足

で引っ張られる強さに差ができます。

この重力差を、

潮汐力

といいます。

縦に伸びて、横に縮む

足側が強く引かれるため、体は縦方向に引き伸ばされます。

一方で横方向には押し縮められます。

結果として、

細く長く伸びていく

ため、

スパゲッティのように見えるというわけです。

地平面を越えた瞬間にスパゲッティになる？

必ずしもそうではありません。

ここが面白いところです。

小さなブラックホールでは、事象の地平面付近でも重力差が非常に大きいため、地平面へ到達する前にスパゲッティ化する可能性があります。

しかし、

超大質量ブラックホール

では事情が違います。

ブラックホールそのものが巨大なため、地平面付近の重力差は比較的小さくなる場合があります。

そのため、

地平面を越えてもしばらく何も感じない

可能性があります。

もちろん、さらに中心へ近づけば最終的には強烈な潮汐力を受けます。

ブラックホールは何でも吸い込むの？

よく、

ブラックホールは宇宙の掃除機

のように思われます。

でも実際には違います。

ブラックホールも、基本的には普通の天体と同じように重力を持っているだけです。

例えば、もし太陽が同じ質量のブラックホールに突然置き換わったとします。

この場合、

地球はすぐに吸い込まれるわけではありません。

太陽の質量が同じなら、地球が受ける重力もほぼ同じです。

地球は今までとほぼ同じように公転を続けます。

もちろん光と熱がなくなるので、別の意味では大変ですが。

近づかなければ大丈夫

ブラックホールが危険なのは、

十分近くまで近づいたとき

です。

遠く離れていれば、普通の星と同じように重力の影響を受けるだけです。

だから銀河の中心に巨大ブラックホールがあっても、

銀河中の星が全部一気に吸い込まれるわけではありません。

中心には何があるの？

一般相対性理論では、ブラックホールの中心には、

特異点

があるとされています。

そこでは密度や時空の曲がりが極端になり、現在の理論ではうまく説明できなくなります。

ただし、

本当に数学的な特異点が存在するかどうかは、まだ確定していません。

量子重力理論が完成すれば、特異点について別の説明ができる可能性があります。

ブラックホールの中は別次元なの？

ここはよく想像される部分です。

ブラックホールが、

別の宇宙や高次元空間への入口なのでは？

という考えがあります。

確かに理論物理では、

• ワームホール
• 高次元宇宙
• 別宇宙

などとブラックホールを結びつける仮説があります。

でも、

実際のブラックホールが別次元への入口だという証拠はありません。

現時点では、あくまで理論上の可能性や仮説です。

ワームホールとは？

ワームホールは、

時空の離れた2点を近道のようにつなぐ構造

として理論上考えられています。

紙の上に2つの点を書いて、紙を折り曲げて点同士を近づけ、穴を開けるようなイメージで説明されることがあります。

ただし、

実際にワームホールが存在することは確認されていません。

ブラックホールと似た数学が登場する場合はありますが、

ブラックホール＝ワームホール

ではありません。

4次元より上の次元はあるの？

物理学には、

私たちが認識している4次元時空より多くの次元が存在する

という理論もあります。

例えば超弦理論では、10次元や11次元の時空を考えることがあります。

しかし、こうした余剰次元は今のところ直接確認されていません。

そのため、

ブラックホールを理解するために必ず高次元が必要

というわけではありません。

現在観測されているブラックホールの基本的な性質は、4次元時空の一般相対性理論でもかなり説明できます。

ブラックホールそのものは見えるの？

ブラックホールそのものは光を出さないため、直接見ることはできません。

しかし、その周囲にはガスや物質が集まることがあります。

それらが高速で回転しながら非常に高温になると、強い光やX線を出します。

そのため、

周囲の物質の動きからブラックホールの存在を知る

ことができます。

ブラックホールの「写真」は何を見ているの？

2019年には、イベント・ホライズン・テレスコープによってブラックホールの画像が公開されました。

あの画像で中央の暗い部分が、ブラックホール周辺の、

ブラックホールシャドウ

です。

周囲の明るい部分は、ブラックホールそのものではなく、

周囲の高温の物質が放つ電波

を観測したものです。

つまり、

見えないブラックホールを、その周囲の光から浮かび上がらせている

ということです。

ブラックホールも消える？

理論上、ブラックホールは永遠に存在するわけではない可能性があります。

スティーヴン・ホーキングは、量子力学を考えるとブラックホールからわずかにエネルギーが放出されることを示しました。

これを、

ホーキング放射

といいます。

非常に長い時間がたつと、ブラックホールは少しずつ質量を失い、

最終的には蒸発する可能性がある

と考えられています。

まとめ

ブラックホールは、

宇宙に開いた単純な穴ではありません。

非常に大きな質量によって、

4次元時空が極端に曲がった領域

です。

その曲がりが強すぎるため、事象の地平面を越えると、

未来へ進むこと自体がブラックホールの中心方向へ進むこと

になり、光でさえ外へ戻れません。

さらに中心へ近づけば、場所による重力差によって、

スパゲッティ化

が起こります。

そしてブラックホールの中が別次元につながっている可能性なども理論上は研究されていますが、現時点では確認されていません。

ブラックホールが面白いのは、

重力が強いだけではなく、私たちが当たり前だと思っている空間や時間そのものの性質が極端に変わる

ところです。

「穴」という言葉だけでは表せないほど、

ブラックホールは、

時間・空間・重力がすべてつながっていることを見せてくれる天体

なのです。

キーワード

ブラックホール / 時空 / 4次元 / 一般相対性理論 / 事象の地平面 / スパゲッティ化 / 潮汐力 / 特異点 / ワームホール / 高次元 / ホーキング放射 / 宇宙 / 科学

※本記事では、文章作成および画像生成の一部にAIを活用しています。