ブラックホールの構成

「ブラックホール」という言葉を聞くと、ほぼ間違いなく謎と不思議な感覚を呼び起こし、恐らく危険の要素を帯びています。 「ブラックホール」という用語は、日常の言葉では「何かが行く場所、決して見られない」と同義語になっています。 繰り返しになりますが、」ほとんどの人は、必ずしも正確な機能や 定義。

何十年もの間、ブラックホールを要約する最も一般的なリフレインの中には、「重力が非常に強い場所、さらには 光は逃げることができます。」これは最初から十分正確な要約ですが、そのようなことがどのように始まるのか疑問に思うのは自然なことです。 と。

他にもたくさんの質問があります。 ブラックホールの中身は？ ブラックホールにはさまざまな種類がありますか？ そして、そのようなものが存在し、測定できると仮定すると、典型的なブラックホールのサイズは何ですか？ ハッブル望遠鏡の発売は、ブラックホールの研究方法に革命をもたらしました。

ブラックホール（および駄洒落）のトピックに深く入る前に、ブラックホールのプロパティとジオメトリを定義するために使用される基本的な用語を確認しておくと役立ちます。

最も注目すべきは、すべてのブラックホールの有効中心に、特異点、それはほとんど点質量であるほど圧縮された物質で構成されています。 結果として生じる巨大な密度は非常に強力な重力場を生成するため、特定の距離までは、光の「粒子」である光子でさえも自由に壊れることはありません。 この距離は、シュワルツシルト半径; 回転しないブラックホールでは（そして次のセクションでより動的なタイプについて学びます）、中心に特異点を持つこの半径を持つ不可視の球が形成されます。事象の地平線​.

もちろん、これはブラックホールが実際にどこから来ているのかを説明するものではありません。 それらは宇宙全体のランダムな場所に自発的に現れますか？ もしそうなら、それらの外観に予測可能性はありますか？ 彼らの自慢の力を考えると、ブラックホールが地球の太陽系の一般的な近くに店を設立することを計画しているかもしれないかどうかを知ることは有用でしょう。

ブラックホールの存在は1700年代に最初に提案されましたが、当時の科学者は彼らが提案したもののいずれかを確認するために必要な機器を欠いていました。 1900年代初頭、ドイツの天文学者Karl Schwarzchild（そうです）はアインシュタインの一般理論を使用していました ブラックホールの最も物理的に顕著な振る舞いを確立するための相対性理論–光を「トラップ」する能力。

理論的には、シュヴァルツチャイルドの研究に基づいて、どんな質量もブラックホールの基礎として役立つ可能性があります。 唯一の要件は、圧縮後の半径がシュワルツシルト半径を超えないことです。

ブラックホールの存在は、物理学者に難問を提示しましたが、解決しようとする魅力的なものです。 ブラックホールの近くの異常な重力に起因する時空の曲率のおかげで、事実上、物理法則は破綻すると考えられています。 事象の地平線は人間の分析からアクセスできないため、この衝突は実際には天体物理学者にとって実際には衝突ではありません。

ブラックホールのサイズを事象の地平線によって形成される球体と考えると、密度は黒の場合とは大きく異なります。 代わりに、穴は、質量が特異点を形成する、ばかげて小さな崩壊した星としてのみ扱われます（これについては、 瞬間）。

科学者たちは、ブラックホールは特定の原子と同じくらい小さいが、地球上の山と同じくらいの質量を持っている可能性があると信じています。 一方、太陽の15倍程度の大きさでありながら、小さいものもあります（ただし、原子サイズではありません）。 これら恒星ブラックホール地球と太陽系が存在する天の川を含む銀河全体に見られます。

さらに他のブラックホールははるかに大きくなる可能性があります。 これら超大質量ブラックホール太陽の100万倍以上の大きさになる可能性があり、すべての銀河の中心に1つあると考えられています。 天の川の中心にある吹き替えいて座Aは、数百万の地球を保持するのに十分な大きさですが、この体積は、オブジェクトの質量と比較すると見劣りします–400万の太陽の質量と推定されます。

ブラックホールは、以前に軽く示唆された脅威が形成されて予期せずに現れるのではなく、より大きな物体と同時に形成されると考えられています。 彼らは「生きている」。 いくつかの小さなブラックホールは、宇宙自体が生まれたのと同時に形成されたと考えられています。ビッグバンの時、ほぼ140億年でした。 前。

それに対応して、個々の銀河内の超大質量ブラックホールは、それらの銀河が星間物質から合体して存在するときに形成されます。 他のブラックホールは、と呼ばれる暴力的な出来事の結果として形成されます超新星​.

超新星は、巨大な天の残り火のように燃え尽きる星とは対照的に、星の破壊的な、または「外傷性の」死です。 このようなイベントは、星がその燃料の多くを使い果たして、それ自体の質量の下で崩壊し始めるときに発生します。 この爆縮は、星の残りの多くを捨てるリバウンド爆発をもたらし、その場所に特異点を残します。

物理学者にとっての前述の問題の1つは、ブラックホールの部分の密度が特異点と見なされることです。 質量が実際にどれだけ小さいか（たとえば、体積がどれだけ小さいか）が不確かであるため、無限以外のものとして計算することはできません。 占有します）。 ブラックホールの密度を有意義に計算するには、そのシュワルツシルト半径を使用する必要があります。

地球質量ブラックホールの理論密度は約2×10です。²⁷ g / cm³ （参考までに、水の密度はわずか1 g / cmです。³). そのような大きさを日常生活の文脈に入れることは事実上不可能ですが、宇宙の結果は予想通り独特です。 これを計算するには、次の例に示すように、ブラックホールと太陽の相対質量を使用して半径を「補正」した後、質量を体積で除算します。

​問題の例：ブラックホールの質量は約390万（3.9×10）です。⁶）太陽、太陽の質量は1.99×10³³ グラムであり、シュワルツシルト半径が3×10の球であると想定されます。⁵ CM。 その密度は何ですか？

まず、事象の地平線を形成する球の有効半径シュワルツシルト半径に太陽の質量に対するブラックホールの質量の比率を掛けることにより、390万として与えられます。

次に、式V =（4/3）πrから求められる球の体積を計算します。³:

最後に、球の質量をこの体積で割って密度を求めます。 太陽の質量とブラックホールの質量が390万倍大きいという事実が与えられているので、この質量は（3.9×10）として計算できます。⁶)(1.99 × 10³³ g）= 7.76×10³⁹ g。 したがって、密度は次のようになります。

天文学者は、ブラックホールのさまざまな分類システムを作成しました。1つは質量のみに基づいており、もう1つは電荷と回転に基づいています。 上記の通過で述べたように、ほとんどの（すべてではないにしても）ブラックホールは地球自体のように軸を中心に回転します。

質量に基づいてブラックホールを分類すると、次のシステムが得られます。

• ​原始ブラックホール：これらは地球と同様の質量を持っています。 これらは純粋に架空のものであり、ビッグバン直後の地域的な重力擾乱によって形成された可能性があります。
• ​恒星質量ブラックホール：前に述べたように、これらは約4から15の太陽質量を持ち、その寿命の終わりに平均よりも大きい星の「伝統的な」崩壊から生じます。
• ​中間質量ブラックホール：2019年の時点では未確認ですが、これらのブラックホールは、太陽の約数千倍の大きさで、一部の星団に存在する可能性があり、後で超大質量ブラックホールに開花する可能性もあります。
• ​超大質量ブラックホール：また、前述したように、これらは数百万から数十億の太陽質量を誇り、大きな銀河の中心に見られます。

別のスキームでは、代わりにブラックホールを回転と電荷に従って分類することができます。

• ​シュワルツシルトブラックホール：別名静的ブラックホール、このタイプのブラックホールは回転せず、電荷もありません。 したがって、それはその質量のみによって特徴付けられます。
• ​カーブラックホール：これは回転するブラックホールですが、シュワルツシルトブラックホールのように電荷がありません。
• ​荷電ブラックホール：これらには2つの種類があります。 有料、非回転ブラックホールはとして知られていますライスナー・ノルドストロームブラックホール、充電中、回転ブラックホールはカーニューマンブラックホール​.

科学者が、定義上視覚化できないほど多くの自信を持ってオブジェクトについて結論を出しているのか疑問に思い始めたのは間違いありません。 ブラックホールに関する多くの知識は、比較的近くにある物体の振る舞いと外観から推測されてきました。 ブラックホールと星が十分に接近しているとき、特別な種類の高エネルギー電磁放射が生じ、注意深い天文学者をひっくり返すことができます。

ブラックホールの「端」から大きなガスジェットが突き出ているのが見られることがあります。 時々、このガスは合体して、降着円盤. さらに、ブラックホールは、適切には、と呼ばれる一種の放射線を放出すると理論づけられています。ブラックホール放射（またはホーキング放射). この放射線は、「物質-反物質」のペアの形成により、ブラックホールから逃れる可能性があります（例：電子そして陽電子）事象の地平線のすぐ外側、およびその後の熱放射としてのこれらのペアの正のメンバーのみの放出。

発売前ハッブル宇宙望遠鏡1990年に、天文学者は彼らが名前を付けた非常に遠い天体について長い間戸惑っていましたクエーサー、「準恒星オブジェクト」の圧縮。 超大質量ブラックホールのように、その存在は 後で発見された、これらの急速に渦巻く高エネルギーの物体は、大きな中心にあります 銀河。 ブラックホールは現在、クエーサーの振る舞いを駆動する実体と見なされています。クエーサーは、宇宙の比較的初期の段階に存在していたため、非常に遠くにしか見られません。 彼らの光は、約130億年の輸送期間を経て、ちょうど今地球に到達しています。

一部の天体物理学者は、地球から見たときに異なる基本タイプに見える銀河は、実際には同じタイプである可能性があるが、それらの異なる側面が地球に向かって提示されている可能性があると提案しています。 時々、クエーサーのエネルギーが見えて、地球がどのようにあるかという点で一種の「灯台」効果を提供します 計器はクエーサーの活動を記録しますが、他の時には銀河はそれらのせいでより「静か」に見えます オリエンテーション。