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ブラックホール

登録日：2011/03/25(金) 22:56:46
更新日：2024/03/25 Mon 01:23:36
所要時間：約 7 分で読めます



ブラックホールとは、アインシュタインの相対性理論をきっかけに、その存在が予測されていた天体である。

目次


概要


地球には万有引力が存在する。
この万有引力が存在するからこそ、地球上では物体は下に落ちるのである。

この「万有引力」、実は地球に限らず、質量（重さ）がある物ならどんなものでも発している。
この項目を読んでいるあなたもわずかながら周囲の物体を引き寄せようとする力を発している*1し、「太陽」「月」「その他すべての星々」も、惑星の中心に向けた重力を発している。

このため、通常の物体は一度惑星に近づくと惑星が放つ引力にとらわれて抜け出せなくなり、ほとんどの場合、その惑星に向けて「落ちて」ゆく。
そして基本的に、一度引力に囚われればそこから抜け出すすべはない。
我々が地上に立って生きているのも、我々が地球の発する引力に囚われているからこそだともいえよう。





「引力に囚われればそこから抜け出すすべはない」とさきほど書いたが、ひとつだけ例外が存在する。
例外とはズバリ、一定以上のスピードで移動することである。

人工衛星やスペースシャトルをご存じだろうか。
これら２つはロケットエンジンで地球の重力を振り切るスピードを実現している*2からこそ、宇宙に飛び出している*3。
で、「一定以上のスピード」と書いたこの速さのことを「第二宇宙速度」もしくは「脱出速度」と呼ぶのだ。


さて、重力には重力を発する物体が重いほど、またその物体に近づくほど強くなる性質がある。
ということは、「重くて半径の小さい星（正しくは密度が大きい星）」ほど重力が強く、必要とする脱出速度が大きくなる。
ちなみに「地球だと秒速11km程度」「太陽で秒速617km程度」である。
星の密度がどんどん大きくなり、必要とされる脱出速度が大きくなり続けると、最終的に脱出速度が光速より速くなる。
しかし相対性理論では、どんな存在も光より速いスピードで移動することはできない。
つまり、こうなってしまうともう何をしてもその星からは出られない、どうあがいても絶望というわけである。

で、この脱出速度が光速を超えた天体こそ、ブラックホールである。


この性質のため、ブラックホールには「直接見ることができない」という特徴がある。
たとえば物体を「見る」とき、その物体に光が当たって反射し、その反射した光が目に入ることで初めて「見える」。
しかしブラックホールの場合、ブラックホールに光が当たってもそれは反射せず吸い込まれ、結果として空中に真っ黒な穴が空いているようにしか見えないのである。

ちなみに「ホール」とあるが穴ではなく、実際にはでっかくて真っ黒な球体である。
だが、前述の通り光を反射しないので、「どの方角から見ても穴にしか見えない」という不思議なルックス*4。


ブラックホールの種類

ブラックホールは実は割とシンプルな仕組みの天体である。

「ブラックホール無毛理論」により、ブラックホールには「質量（重さ）」「電荷（帯びている電気）」「角運動量」の三つの要素だけが存在すると定義されている。

逆に言えばそれ以外に違いはないので、この３要素の違いから種類を分別する。


シュワルツシルト・ブラックホール

最も基本的なブラックホール。
よくイメージ図とかで出てくる、黒い球体みたいなアレ。
質量があるが電荷と角運動量はない。
つまり帯電してないし回転もしていないタイプ。


カー・ブラックホール

質量と角運動量があるが電荷はない、ようするに回転運動をしているブラックホール。
回転速度にもよるが、遠心力の影響でドーナツ型になっているのが特徴。
フィクションでは、このドーナツの輪部分をくぐるとタイムトラベルやワープができる……というふうに描写されることが多い。
シュタインズゲートに出てくるのはコイツ。


ライスナー・ノルドシュトルム・ブラックホール

質量と電荷があるが角運動量はないタイプ。
あの真っ黒な球体が電気を帯びていると考えるとわかりやすい。
ちなみに、電気は帯びているが磁場はないことが近年の研究で分かっている。

カー＝ニューマン・ブラックホール

質量、電荷、角運動量を全部持っているタイプ。
回転してるし電気も帯びている。

+ 誕生までの経緯

物体が一定の体積に保った場合、温度が高いほど圧力は強くなる（ボイル・シャルルの法則）。
恒星では、水素やヘリウムの核融合反応により生まれた温度により圧力と自身の重力が釣り合い形を保っている。
核反応の爆発力で内部から膨らもうとする力と、自分自身の重力とのバランスで一定の大きさになっているわけだ。
反応では酸素や炭素ができる。
太陽の10倍程度の質量の星はそれらが溜まっていくと反応が弱まり、静かにしぼんでゆく。
これが白色矮星。

それ以上の質量の星では、水素やヘリウムを使いきると、次に酸素や炭素が核融合反応し始める。
最終的に、星の中には鉄が溜まる。
鉄は核融合反応をしない*5ので核融合反応が止まる。
すると温度が下がり、それにともなって圧力が下がり、重力とのバランスが崩れる。
そしてある瞬間、不均衡によって星の形を保てなくなり、構造が壊れて爆発し、星を構成していた物質のほとんどをぶっとばす（超新星爆発、スーパーノヴァ）。
この爆発で星の上層の物質の大半が吹っ飛ぶのだが、星の中心付近では逆に、膨張する力をいきなり失った周りの物質が重力に引っ張られ、星の中心に向かって瞬時に集まるという現象が起きる。

これを爆縮(インプロージョン)という。

大量の物質が一点に集まるその速度と瞬間圧力はすさまじいもので、電子と原子核の力場すら上回る。
古いモデルだが、陽子と中性子のつぶつぶで出来た「原子核」とその周りを回る「電子」という原子のモデルを見た事のある人は多いだろう。
超新星爆発の中心部では、崩れる星の爆縮の勢いであの電子が原子核の中の陽子にめり込んでしまうのだ。
結果、ほとんどが中性子になる。
中性子は電気的に中性なので互いの重力によって引き寄せあい、素粒子レベルでぎゅうぎゅう詰めの塊になる。
結果、電子の公転軌道という物質の根本的サイズ規格から外れた超高密度の天体が生まれる。
これを中性子星という。
スプーン一杯10億トンという超物質の塊である。

そして星の質量がさらに大きい（計算上、太陽の30倍くらいが閾値らしい）と、中性子の塊ですら爆縮の超圧縮に耐えきれずに壊れる。
こうなるともう、いかなる物質も物理的構造も、爆縮でつぶれていくのに耐えられない。
中性子星だったものは無限に小さくなっていき、密度は無限に大きくなり、その脱出速度は光の速度を超えていく。
その結果、現実に一定数の質量を持つのに大きさが無限に小さい（密度が無限に大きい）「特異点」と、それを包む真っ黒な脱出不可能領域で構成される黒い穴ができる。
これがブラックホールである。


このときの「これ以上小さくなったらブラックホールになるよ」半径を、シュバルツシルト半径と呼ぶ。
ブラックホールの大きさとされ、これ以内に入ると光さえ脱出できない。
太陽を約2.95km以下にするとブラックホールになる的なアレ。

vを速度、Gを万有引力定数、Mを天体の質量、Rを半径としたとき、脱出速度は

v^2=(2GM)/R

で表され、このvに光速（299792458m/s）を代入したときの半径がシュバルツシルト半径である。
式を見ればわかる通り質量に依存しているため、理論上では何か吸い込むたびにブラックホールは巨大化する。
だが実際にそうなるかはわかっていない。






実を言うと、これまでブラックホールは「この理屈で行くと間違いなくあるんだろうなー」てな具合に、存在を予測されていただけの天体だった。

が、2019年4月10日、ブラックホールの撮影に成功したことが発表された。

ちなみに、撮影の対象となったブラックホールはおとめ座の方角にある銀河M87のもの。
その質量は太陽の約65億倍という、超の字つきの大質量ブラックホールである（なお銀河系の中心にあるブラックホールの質量は太陽の約410万倍ほどである。）。
M87はおとめ座銀河団（と、おとめ座超銀河団（局部超銀河団））の中核といえるメンバーであり、周囲に見える銀河M86、M49らよりも1桁大きい質量を持つと言われている。
我々の銀河系が所属する局部銀河群の（宇宙膨張に伴う）後退速度は、おとめ座銀河団の重力の影響を受け、（宇宙膨張の速度と比較して）約10%ほど減速している。*6
M87を含むおとめ座銀河団の主要メンバーは、春の大三角（アークトゥルス、スピカ、デネボラを結んだ三角形）内のデネボラ（しし座の尾）側の領域に分布しており、M87はおとめ座ε（イプシロン）星とデネボラを結ぶ線上にある。

そして2022年5月、同様の手法で我らが銀河系(天の川銀河)の中心にある電波源いて座A*(スター)の撮影にも成功した。
得られた画像はM87のものと酷似しており、いて座A*がブラックホールであるという直接の証拠が得られただけでなく、両者の比較がしやすくなったという点でも非常に意義のある成果と言える。






それではそんなブラックホールに吸い込まれるとどうなるのか。

吸い込まれる人から見た場合、まずブラックホールに近い場所と遠い場所で受ける重力に差がうまれるため（潮汐力）、スパゲッティのように引き延ばされ最終的に素粒子レベルまで分解されながらブラックホールに落ちていく。
遠くから観測した場合、吸い込まれる人がブラックホールに近づくにしたがいゆっくりになっていき、シュバルツシルト半径に達した時に（外の時間軸を基準として）時間が止まり、そこで静止する。
また波長が引き延ばされるため次第に色は赤くなり、やがて可視光域から外れる。


ブラックホールはごく安定だが、ホーキング博士によると少しずつ蒸発しているらしい。
そのため十分時間が経つと宇宙の全てのものはブラックホールになるか吸い込まれるか、その後また十分時間をかけてそのブラックホールは蒸発、最終的に宇宙には何もなくなる、という説がある。
この説の通りならブラックホールの寿命は外から見て有限という事になり、仮に生きたまま飛び込めたとしても、本人の主観時間ではブラックホールと共に一瞬で蒸発してしまう。
やはりシュバルツシルト半径の内側を知る事は不可能のようだ。

また、ブラックホール同士が衝突・合体すると質量の数%を吐き出す事が確認されている。
この質量は「空間の歪み（重力波）」の形で観測可能であり、初めて観測に成功したチームはノーベル物理学賞を受賞した。



よーわからんという人も多そうなのでたとえ話を一つ。

絨毯の上に物が載っているところを想像してもらいたい。
この時絨毯は上の物の重さで当然だが沈み込んでいるし、この沈み込みは物が重くなれば重くなるほど大きくなる。

では絨毯の上に「すっげぇ重いもの」を載っけるとどうなるか。
現時点では理論上、「すっげぇスピードで果てしなく絨毯は沈み込む」ということになる。
しかしこの時絨毯が沈むスピードは光速を超えているため光でも追いつけないしどこまで沈むか分からない。

この「どこまで沈むか分からない絨毯のヘコみ」がブラックホールのことである。


ついでに言うと、この上のものが小さければ小さいほど重さは集中して沈み込みはより深くなり、さっきの「果てしなく沈むモード」になりやすくなる。

この「果てしなく沈むモード」になるラインがシュバルツシルト半径である。


つまりはこういうことである。

→……光の進行方向
─……空間。上の例でいう絨毯

  • 通常時

→
─────
このようになにもなければそれでいい。しかし、ここで真ん中に玉を置いてみよう。


→　↘　↗　→
──　→　──
＼○／
─
やや雑になってしまったが、空間に物体があると引力に引っ張られた光はその方向に向かう。
しかし、光の速さの方がよっぽど速いので、引力を振り切れる。
では、この歪みが底なしだった場合は？


→　　　　　←
──↓　↓──
＼↓／
Ｖ
底なしなのでこう書いたが、要はブラックホールの引力が普通の天体とは桁違いな故に引力を振り切れずに光すら飲み込んでしまうのだ。
当然反射なんぞ出来ないので、ブラックホールは肉眼では捉えられないのだ。



ちなみにブラックホールには前述のとおり属性（パラメータ）が少なく、「質量」「角運動量（回転）」「電荷」の三つしかない。
このことを「ブラックホールには三本の毛しかない」と言うことがある。
おばQ定理とも。

これを哀れに思った学者さんたちがせっせと育毛にハゲんでいるが……


創作におけるブラックホール

ちなみに二次元の世界におけるブラックホールの扱いであるが、大抵は「闇(稀に地)属性の高等魔法」か、SF・ロボットもの(というかほぼヒュッケバイン)では半永久の動力機関、もしくは敵に撃ち込んで超重力で押し潰したり消し去る必殺級の兵器として扱われることが殆ど。
前者においては純粋な攻撃以外にも「一撃必殺」「スピードダウン」「一か所に吸い寄せる」等の追加効果が付くことも多い。

こんな代物を魔法などでポンポン再現できたら世界が簡単に滅びそうなものだが、その辺にはとやかく突っ込まないのがお約束というものである。

宇宙が舞台のスーパーマリオギャラクシーでは、上下左右もない宇宙では2D作品のように単に奈落に落ちたらミスみたいな単純な構造にはしづらい為、ブラックホールがステージの道中や底面など至る所に配置されており、足場を踏み外したり近づいたら吸い込まれてミスとなる。

なお、燃料とか武器以外での使用例としてはタグにもある「Steins;Gate」にて、タイムマシン作成のためにカー・ブラックホール（自転しているブラックホール、遠心力でドーナツのような形になったブラックホールで、中央に空いた穴を通ることで時間移動ができるとされる）が作成・使用されている。

ブラックホールを扱うキャラクター・武器・兵器

名前の50音順で記載。
  • イデオン (伝説巨神イデオン)

    ボタン一発で腹のシャッターが開き、ミニブラックホールを射出、敵を飲み込む。
    このブラックホールの吸引力に指向性を持たせる装置がイデオンガン。


  • 仮面ライダー王蛇 (仮面ライダー龍騎)

    契約モンスター3体を合体させたジェノサイダーとのファイナルベントは、ジェノサイダー腹部の小型ブラックホールに敵を叩き込む「ドゥームズデイ」。
    威力そのものは非常に高いのだが、まともに成功した例はほぼない。

  • グランゾン (スーパーロボット大戦シリーズ)
    ヒュッケバインと同じスパロボオリジナルロボット。
    こちらもブラックホールエンジンを搭載している。シュウ・シラカワ博士の技術力ゆえか重力制御の自由度が桁違い。
    ポンポンとお手軽にブラックホールクラスターを発射する上、進化形態だともっとヤバイものを生成可能。

  • サーナイト (ポケットモンスター)

    図鑑説明に「自身のトレーナーを守るために危害を加えそうな人物をブラックホールに吸い込む」と書かれている。
    柳田理科雄氏の「ポケモン空想科学読本」には「危害を消し去るのはいいが、トレーナー、ましてや地球をも破壊してしまうのではないだろうか、地球を破壊しないよう即座にブラックホールを消してもトレーナーはそのまま吹っ飛んでしまうのでは……（要約）」と考察されている。

  • シュバルツ

    あつめて！カービィにて、マグマウンテンの宇宙ステージで待ち構えるブラックホール。一応倒せなくはない。
    多分名前の由来は上記のシュバルツシルト。

  • ヒュッケバイン (スーパーロボット大戦シリーズ)

    ブラックホールエンジンというそのまんまな名前の動力炉を持つ。
    必殺技はもちろんブラックホールを撃ち出すブラックホールキャノン。
    過去の起動テストで暴走し基地が一つ跡形もなく消えたことから「バニシング・トルーパ―」の忌み名を授かる羽目に。
    後に星間連合ゾヴォークでも禁断の技術とされていることが判明した。
    派生機の必殺技もブラックホールや重力場を利用した兵器であることが多い。

  • ブラックホールっち (えいがでとーじょー! たまごっち ドキドキ! うちゅーのまいごっち!?)

    宇宙空間に住んでいるたまごっち。
    その寝息にはブラックホールに匹敵する吸引力がある。
    身体が非常に大きいため、接近した状態で本物のブラックホールと見分けるのは困難。唯一の特徴は「ガーゴー」という寝息の音。
    本人は善良なたまごっちであり、寝ている時に無意識に吸い込んでいるだけなので、なんとかして起こすことができれば吸い込まれた者を出してくれる。

  • ホーキンス （ヴぁんぷ！）

    作中に登場する吸血鬼の一体。二つ名は『ただそこにある無』。
    意思をもつブラックホールという、創作の中でもあまり類を見ない存在。本作のインフレ上限キャップキャラ。
    誰も彼の場所までたどり着けない、故に「無敵」　誰も彼の放つ超重力に耐えられない、故に「最強」
    ただし、地球から遥か彼方の宇宙空間に存在しているため、地上へはテレパシーを送る程度しかできないのが弱点。
    好物は光。

  • 星のカービィシリーズの一部のラスボスの方々

    カービィシリーズでは過去作のボスの技をオマージュした技を使うラスボスが多く、その中にブラックホール（キャラによって技名はブレる）がある。
    プレイヤーキャラクターが一定の範囲に入ると内部に吸い込まれ、大ダメージを受けるという技。
    初使用時のマルクを除き、範囲内に引き寄せようとする効果が発生するため、逃げ続けなければいけない。

  • 闇ボム (爆ボンバーマン2)
    プロローグからして敵組織が生み出した人工ブラックホールに呑み込まれるところから始まる今作、よく生きてたな。いつもの爆弾に加えて水や風などの属性ボムを使い分けられるが、この闇ボムは起爆すると小さなブラックホールとなり、周辺の敵やアイテムを問答無用で吸い込んで消滅させる。
    一部例外はあるが、幽霊だろうとロボだろうと雑魚敵とアイテムなら大体何でも吸い込む。案の定、ボンバーマン自身も吸い込まれると即死してゲームオーバー。お供のポミュは吸い込まれても一瞬で復活するのに…。
    白黒の模様に点滅する紅いランプという爆弾の見た目からして怖い。
    リモコンが無いとさらに怖い。
    雑魚の殲滅には便利だが、ブロックの破壊とアイテム収集には当然向かない。
    なお、闇ボム（の力の源であるエレメンタル）の本来の持ち主であるベルゼバルは、「デスグラビティ」という技で同様にブラックホールを生み出して即死を狙ってくる。
    しかもボンバーマンを追尾する上に本人は触れても平気。
    更に２個以上同時に使えるという闇ボムの完全上位互換。


  • ロックマンシリーズに登場する重力系の特殊武器 (ロックマンシリーズ)
    重力波で画面内の弱い雑魚を一掃した上で、その残骸や敵の弾を吸い込むロックマンX3のバグホールが初出。
    同様に敵の弾を吸い込むスクイーズボム(ロックマンX8)や、起爆するとブラックホールを生み出すリモート弾を発射するブラックホールボム(ロックマン9)が登場する。
    近い性質の武器としては、重力場を操作して周囲の敵を吹き飛ばすグラビティーホールド(ロックマン5)、背景のスクラップ等を吸い込む磁力エネルギーの塊を発射するチャージ版マグネットマイン(ロックマンX2)等が存在する。

もっとわかりやすく説明できる理系の人

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最終更新：2024年03月25日 01:23

*1 が、摩擦の方が強すぎて殆ど感じられない。DIOの発言はどちらかというと運命的な意味だろう。

*2 ジェットエンジンでこの速度は実現できていない。項目を参照してほしいが、ジェットエンジンで地球の引力を振り切るパワーを出そうとすると、各部の材料が熱や圧力で壊れてしまうのだ。

*3 スペースシャトルだけでなく、レーシングカーなど極端にスピードの速い乗り物でも似たような現象が起こるのだが、レーシングカーは浮き上がってしまうと困る（地面とタイヤが離れてしまう）ので、前後についた羽根のようなパーツで地面に押さえつけてある。

*4 なお、まだ発見されていないがワームホールのような本当の意味での空間の穴も、球体の形状をして現れるんだとか。

*5 より精確に言えば、3次元世界で普通のエネルギー環境では核融合反応しない、というのが正しい。恒星内部の1600万℃25京気圧という環境を超えるエネルギー環境は通常の宇宙には存在しない。

*6 補足すると、M87自体は赤方偏移で観測されるため、地球からの距離は離れ続けている。あくまで両者が宇宙膨張に伴う空間そのものの広がりよりは遅いペースで遠ざかっているということ。