ブラックホールとは？光が逃げられない理由と事象の地平面
この記事はAIの支援を受けて原文を翻訳したものです。専門用語や数式は原文とあわせて確認してください。
ブラックホールとは、ごく狭い領域に膨大な質量が詰め込まれ、いったん中に入ったものは光でさえ二度と外へ出られなくなる天体のことです。その境界が事象の地平面（事象の地平線とも呼ばれます）で、中心からこの距離にある地点では、脱出に必要な速さが光速（秒速299,792km）と等しくなります。地平面の内側では、外向きに放った光を含め、あらゆる進路がさらに内側へ向かいます。自転していないブラックホールの場合、地平面の半径はシュヴァルツシルト半径 rs = 2GM/c² に当たり、太陽と同じ質量なら約3kmです。
ブラックホールの仕組み：脱出速度から考える
脱出速度とは、天体の重力を振り切って、二度と戻らずに遠ざかるために必要な打ち上げ速度のことです。質量M、半径rの球体なら v = √(2GM/r) で表されます（Gは万有引力定数）。同じ質量をより小さな半径に押し込むほど、脱出速度は大きくなります。
- 地球：表面から11.2km/s。
- 太陽：目に見える表面から約618km/s。
- 白色矮星：太陽の半分ほどの質量が、地球よりわずかに大きい球に収まった天体です。半径を7,000kmとして計算すると約4,400km/sで、光速の約1.5%に当たります。
- 中性子星：太陽の約1.5倍の質量が直径20kmほどの球に詰まった天体で、約20万km/s、光速の約3分の2に達します。
白色矮星と中性子星の値は、典型的なモデルを仮定した概算です。
さらに縮めていくと、脱出速度はついに光速cに届きます。√(2GM/r) = c を r について解くと r = 2GM/c² となり、これがシュヴァルツシルト半径です。名前の由来はカール・シュヴァルツシルトで、1916年にアインシュタインの一般相対性理論の方程式から、これに対応する解を導きました。なお、ニュートン力学の式から導いたこの値は、自転しないブラックホールについて相対論が示す地平面の半径と、たまたま完全に一致します。
光が事象の地平面から逃げられない理由
脱出速度を使った説明は、理解への最初の一歩であって、全体像ではありません。光は投げたボールのように途中で減速して落ちてくるわけではなく、その場で測れば常に光速cで進みます。変わるのは時空のほうです。一般相対性理論では質量が時空を曲げ、ブラックホールの近くでは曲がり方が極端になります。
地平面の上では、真っすぐ外向きに放った光はその場にとどまるしかありません。さらに内側では、どの方向へ進んでも、つまり未来へ向かうどの経路をたどっても、行き着く先は中心です。外へ出るには光より速く進む必要がありますが、それはどんなものにもできません。地平面は「引き返せない境界」であって壁ではなく、降り立てる固い表面があるわけではありません。
望遠鏡で見える姿を形づくる特徴が、ほかに二つあります。一つは、シュヴァルツシルト半径の1.5倍の位置にある光子球です。ここでは光がブラックホールの周りを回れますが、ほんのわずかな乱れで内側へ落ちるか、外へ飛び去ります。もう一つは、その外側で渦を巻きながら落ち込み、熱せられて輝くガスの降着円盤です。通り過ぎる光が重力で曲げられるため、ブラックホールの画像に写る暗い「影」は地平面そのものより大きく見え、NASAはおよそ2倍の大きさと説明しています。
なお、「光が逃げられない」のはあくまで地平面の内側の話です。外側の降着円盤は明るく輝くので、ブラックホールの周りが明るく見えることもあります。
シュヴァルツシルト半径とは？ブラックホールの大きさ
rs = 2GM/c²（Mは質量、Gは万有引力定数、cは光速）は質量に比例するので、覚えやすい目安は1太陽質量あたり約2.95kmです。次の表は、NASAの質量と正確な光速の値を使った、自転しない場合の計算結果です。
| 天体 | 質量 | シュヴァルツシルト半径 | 大きさの目安 |
|---|---|---|---|
| 地球（圧縮した場合） | 5.97×1024kg | 8.87mm | 直径約1.8cm、ビー玉ほど |
| 太陽（圧縮した場合） | 1太陽質量（1.99×1030kg） | 2.95km | 直径約5.9km |
| 恒星質量ブラックホール（例として） | 10太陽質量 | 29.5km | 直径約59km |
| いて座A* | 約400万太陽質量 | 約1180万km | 太陽の半径の約17倍 |
| M87* | 約65億太陽質量 | 約192億km | 地球と太陽の距離の約128倍 |
地球からM87*までで、半径の差は10の15乗倍を超えます。図3が対数目盛になっているのはそのためです。自転するブラックホールでは地平面がやや小さくなりますが、シュヴァルツシルト半径は今も標準的な物差しとして使われています。
太陽を例に手計算で確かめる
- 質量を用意します。太陽は M = 1.9884×1030kg です。
- 定数を用意します。万有引力定数は G = 6.6743×10-11m3kg-1s-2、光速は c = 299,792,458m/s です（2022年のCODATA推奨値）。
- 2GM を計算します。2 × 6.6743×10-11 × 1.9884×1030 ≒ 2.654×1020 です。
- c² = 8.98755×1016 で割ります。答えは約2,953m、つまり約2.95kmです。
- ほかの天体は、この値に太陽質量の何倍かを掛けるだけです。10太陽質量なら約29.5km（例として）、約400万太陽質量のいて座A*なら約1180万kmになります。
ブラックホールはどうやってできる？3つの種類と成り立ち
天文学者はブラックホールを質量で分類しており、それぞれでき方が異なります。
- 恒星質量ブラックホール（太陽の数倍〜数百倍）：重い星の最期の姿です。太陽の約8倍より重く生まれた星は、超新星爆発で一生を終えます。崩壊する中心核が太陽の約1〜3倍の質量なら中性子星になり、それより重い中心核はさらに崩壊を続けてブラックホールになります。NASAによると、太陽の約20倍以上の質量の星はブラックホールを残します。
- 超大質量ブラックホール（太陽の数十万倍〜数十億倍）：ほぼすべての大きな銀河の中心にあります。これほど大きく育った過程はまだ分かっておらず、宇宙誕生から最初の10億年以内にできたものもあるのではないかと考えられています。
- 中間質量ブラックホール（太陽の約100倍〜数十万倍）：両者の間を埋める存在のはずですが、候補天体の確認は難しいままです。
ブラックホールが実在するといえる4つの根拠
ブラックホール自体は光を出さないため、天文学者は周囲に及ぼす影響から存在を突き止めます。互いに独立した4種類の証拠が、同じ結論を指しています。
- 周りを回る星。ラインハルト・ゲンツェル氏とアンドレア・ゲズ氏が率いるチームは、天の川銀河の中心付近にある星の動きを約30年にわたって追跡しました。その軌道は、中心に目に見えないコンパクトな天体（約400万太陽質量）があるとしなければ説明できません。これが、いて座A*です。
- 輝くガス。ブラックホールに向かって落ちていく物質は熱せられ、X線を含むさまざまな波長で放射します。
- 重力波。2015年9月14日、米国にある2か所のLIGO検出器が GW150914 を捉えました。約13億光年かなたで、それぞれ約30太陽質量の二つのブラックホールが合体したときの、時空のさざ波です。発表は2016年2月11日でした。
- 直接撮影。イベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）は、世界各地の電波望遠鏡を結んで地球サイズの仮想望遠鏡をつくります。2019年4月10日にはブラックホール初の画像としてM87*（65億太陽質量、5500万光年先）を、2022年5月12日にはいて座A*（約2万7000光年先）を公開しました。どちらにも、暗い影を取り囲む、曲げられた光の明るいリングが写っています。
ブラックホールのよくある誤解
「ブラックホールは近くのものを何でも吸い込む」は誤解です。離れた場所から見れば、ブラックホールは同じ質量の他の天体と同じように引力を及ぼすだけです。仮に太陽を同じ質量のブラックホールに置き換えても、惑星は今の軌道を回り続けます。ただし太陽の光と熱がなくなるので、太陽系はずっと寒くなります。
「太陽もいつかブラックホールになる」というのも誤りです。NASAによると、そのためには今の約20倍の質量が必要です。太陽は約50億年後から膨らみ始めて赤色巨星になり、最後は白色矮星になります。
「特異点の正体は分かっている」というのも誤解です。一般相対性理論は中心で密度が無限大になると予言しますが、それが実際に存在するのか、理論が成り立たなくなる印なのかは、誰にも分かっていません。
よくある質問
ブラックホールから脱出できるものはありますか？
事象の地平面を越えてしまったものは出られません。まだ外側にある物質なら話は別で、落ち込むガスの一部は向きを変えられ、光速に近い速さで噴き出すジェットになります。
ブラックホールに落ちたらどうなりますか？
質量によって変わります。30太陽質量のブラックホールの地平面では、頭と足の間にかかる潮汐力（引き伸ばす力）が地球の重力の約100万倍に達します。一方、約3万太陽質量を超えると潮汐力は1g（地球の重力と同じ強さ）を下回るので、超大質量ブラックホールの地平面は、越える瞬間に何も気づかないまま通過できる計算になります。
黒いはずのブラックホールが、画像では明るく写るのはなぜですか？
地平面の内側から光が出てこないだけで、外側の降着円盤は熱せられて明るく輝いているからです。さらに重力で光が曲げられるため、画像には中心の暗い影を明るいリングが取り囲む姿が写ります。
天の川銀河の中心のブラックホールは、地球にとって危険ですか？
いいえ。いて座A*は約2万7000光年も離れていて、危険を及ぼすには遠すぎます。
出典：NASA Science「ブラックホールの種類」、NASA Science「ブラックホールの構造」、ESO「天の川銀河の中心にあるブラックホールの初画像」、LIGO科学コラボレーション「GW150914」（いずれも英語のページです）。
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