ブラックホールと聞くと、宇宙に開いた真っ黒な穴を想像するかもしれません。
しかし、ブラックホールは空間に開いた穴ではありません。
非常に大きな質量が狭い範囲に集まり、強い重力によって光さえ外へ戻れなくなった天体です。
光が届かないなら、ブラックホールはどうして見つけられるのでしょうか。
今回は、ブラックホールの仕組みや種類、でき方、観測方法を基礎から見ていきましょう。
この記事では、ブラックホールについて次の点を整理します。
- ブラックホールは「宇宙に開いた穴」ではなく、どのような天体なのか
- なぜ光も外へ戻れなくなるのか
- 見えないはずのブラックホールを、どうやって観測しているのか
- 現在分かっていることと、まだ分かっていないこと
ブラックホールは有名な天体ですが、言葉のイメージだけが先行しやすい存在でもあります。この記事では、映画やSF的なイメージと、現在の科学で分かっている内容を分けながら、基礎から確認していきます。
ブラックホールで誤解されやすいこと
ブラックホールは有名な言葉ですが、いくつか誤解されやすい点があります。
まず、ブラックホールは宇宙空間にぽっかり開いた穴ではありません。非常に大きな質量が狭い範囲に集まった天体です。
また、ブラックホールが近くのものを何でも吸い込む「宇宙の掃除機」のような存在だと考えられることもあります。しかし、遠くから見た重力の働きは、同じ質量を持つほかの天体と急に変わるわけではありません。太陽がもし同じ質量のブラックホールに置き換わったとしても、地球が突然吸い込まれるわけではなく、基本的には同じような軌道を回り続けると考えられます。
ただし、ブラックホールの近くまで近づくと話は変わります。事象の地平面の内側へ入ってしまうと、光でさえ外へ戻ることができません。
また、ブラックホールは近くのものを何でも吸い込む「宇宙の掃除機」のように考えられることもあります。しかし、遠くから見た重力の働きは、同じ質量を持つほかの天体と急に変わるわけではありません。この点は後ほど詳しく見ていきます。
光も戻れない境界「事象の地平面」
地球から宇宙へ飛び出すには、地球の重力を振り切るだけの速さが必要です。この最低限必要な速さを「脱出速度」と呼びます。
脱出速度は、天体の質量が大きく、半径が小さいほど速くなります。
ブラックホールでは、ある境界より内側から外へ戻るために、光よりも速く進まなければなりません。
しかし、光より速く物質や情報を運ぶことはできません。そのため、光さえ外へ戻れないのです。
この「一度越えると戻れなくなる境界」を、事象の地平面と呼びます。地球の地面のような固い表面ではなく、目に見えない境界です。
ただし、光が重力によって遅くなり、途中で止まるわけではありません。
一般相対性理論でより正確にいうと、ブラックホールが時空を極端にゆがめることで、事象の地平面の内側には「外へ続く進路」そのものがなくなります。
外向きに放たれた光も、時間が進むにつれて、より内側へ進むしかありません。
滝へ向かって流れる川を想像すると、少し分かりやすくなります。
流れが弱ければ、魚は上流へ泳げます。しかし、川の流れが魚の泳ぐ速さを上回れば、上流を向いて泳いでも下流へ運ばれてしまいます。
事象の地平面は、この「どれだけ外へ進もうとしても引き返せなくなる境目」に相当します。
ただし、宇宙空間が実際に水のように流れているわけではありません。ブラックホールによってゆがんだ時空を理解するためのたとえです。
中心の「特異点」は実際に確認されたものではない
一般相対性理論の計算では、ブラックホールの中心に、物質が極限まで押しつぶされた「特異点」ができると予測されます。
特異点では、密度や時空のゆがみが無限大になると計算されます。
ただし、特異点を直接観測したわけではありません。
無限大という答えが出ること自体、一般相対性理論だけではブラックホールの中心を説明しきれないことを示している可能性もあります。
ブラックホールの内部を正確に説明するには、量子力学と一般相対性理論を統一的に扱う「量子重力理論」が必要だと考えられています。
しかし、その理論はまだ完成していません。ブラックホールの内部が実際にどのような状態なのかは、現在も分かっていないのです。
ブラックホールはどうやってできる？
比較的小さなブラックホールは、重い恒星が一生を終えるときに作られると考えられています。
恒星は内部で核融合を起こし、外向きの圧力によって自らの重力を支えています。
やがて燃料を使い果たすと、この支えが弱くなります。中心部が十分に重い場合は、自らの重力に耐えられなくなり、急激に収縮してブラックホールになります。
ただし、すべての恒星がブラックホールになるわけではありません。
太陽程度の質量を持つ恒星は、最期に白色矮星と呼ばれる天体を残すと考えられています。より重い恒星でも、条件によっては中性子星になります。
ブラックホールには大きさの違う種類がある
ブラックホールは、主に質量によって3種類に分けられます。
恒星質量ブラックホールは、重い恒星が一生を終えたあとなどに作られるブラックホールです。太陽の数倍から数十倍程度のものが多く見つかっています。
超大質量ブラックホールは、太陽の数十万倍以上の質量を持ち、なかには数十億倍を超えるものもあります。多くの大きな銀河の中心に存在すると考えられています。
この二つの中間にあたるのが、中間質量ブラックホールです。候補となる天体は報告されていますが、恒星質量ブラックホールや超大質量ブラックホールほど多くは確認されていません。
恒星質量ブラックホールのでき方は比較的よく分かっています。一方、宇宙の初期に超大質量ブラックホールがどのように生まれ、急速に成長したのかは、現在も研究が続く問題です。
ブラックホールの質量による分類については、関連記事「ブラックホールの種類とは？恒星質量・中間質量・超大質量の違いを解説」で詳しく紹介しています。
ブラックホールの周囲が明るく輝くこともある
ブラックホール本体からは、普通の光は届きません。
それなのに、ブラックホールの画像では、周囲が明るく輝いていることがあります。
この光を出しているのは、ブラックホール本体ではなく、その周囲にある物質です。
ガスやちりがブラックホールの周囲を回ると、円盤状に集まることがあります。これを降着円盤と呼びます。
降着円盤のガスは高速で回転し、ガスの乱れや磁場の働きによって運動エネルギーの一部が熱へ変わります。そのため非常に高温になり、電波や可視光、X線などを放つことがあります。
ブラックホールの近くから、細長いジェットが伸びることもあります。
ただし、ジェットは事象の地平面の内側から飛び出しているわけではありません。周囲の降着円盤や磁場が関係して作られると考えられています。
何でも吸い込む宇宙の掃除機ではない
ブラックホールは、遠くの物体まで無差別に吸い込む宇宙の掃除機ではありません。
同じ質量であれば、同じ距離で受ける重力は、恒星でもブラックホールでも基本的に同じです。
もし太陽が突然、同じ質量のブラックホールへ置き換わったとしても、地球はすぐに吸い込まれません。
光と熱が失われるため地球の環境は大きく変わりますが、地球の軌道はほぼそのままです。
物質がブラックホールへ落ちるには、すぐ近くまで接近したり、周囲の物質との関わりによって軌道を変えたりする必要があります。
ただし、近づきすぎると、ブラックホールに近い側と遠い側にかかる重力の差が大きくなります。
その結果、物体が細長く引き伸ばされる「スパゲッティ化」が起きる場合があります。
見えないブラックホールをどうやって見つける？
ブラックホールそのものは見えません。
そこで研究者は、ブラックホールが周囲へ与える影響を観測します。
たとえば、何も見えない場所の周囲を恒星が高速で回っていれば、その中心に重い天体があると分かります。星の速度や軌道を測れば、見えない天体の質量も計算できます。
降着円盤から届くX線を観測する方法もあります。
さらに、ブラックホール同士が合体すると、時空のゆがみが波として宇宙空間を伝わります。この重力波を観測することでも、ブラックホールの存在を確かめられます。
2019年には、イベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）が、M87銀河の中心にあるブラックホールの画像を公開しました。
2022年には、天の川銀河の中心にあるいて座A*も画像化されています。
ただし、写っているのはブラックホール本体ではありません。
明るいリングは、ブラックホールの近くにある高温のガスが放つ電波を捉えたものです。
中央の暗い部分は、光がブラックホールに取り込まれたり、強い重力によって進路を曲げられたりすることで生じる「シャドウ」と呼ばれる領域です。
天の川銀河のブラックホールについては、いて座A*（エースター）の基礎解説で詳しく紹介しています。
また、周囲を回る星からブラックホールを調べる研究例として、銀河系最速の恒星「S301」の記事もあります。
ブラックホールについて分かること・まだ分からないこと
ブラックホールは、光を出さないため、本体を普通の天体のように直接見ることはできません。
それでも、周囲の星やガスの動き、強いX線、重力波、ブラックホールシャドウなどを調べることで、存在や性質を推定できます。
一方で、事象の地平面の内側で何が起きているのかは、外から直接観測することができません。
| 観点 | 現在調べられること | まだ分からないこと |
|---|---|---|
| 存在の確認 | 周囲の星やガスの動き、X線、重力波、シャドウなどから存在を推定できる | 事象の地平面の内側を直接見ることはできない |
| 質量 | 周囲の星の軌道やガスの運動から推定できる | 形成直後の詳しい成長過程は分からない場合がある |
| 合体 | 重力波によってブラックホール同士の合体を検出できる | 合体後の詳しい振る舞いや周囲への影響には未解明の点がある |
| 超大質量ブラックホール | 銀河中心の星の運動や電波観測などから調べられる | 宇宙初期にどのように急成長したのかは研究が続いている |
| ジェット | 一部のブラックホール周辺で強い噴流が観測される | ジェットが作られる詳しい仕組みは完全には分かっていない |
このように、ブラックホールは「存在するかどうか」を調べる段階から、「どのように生まれ、成長し、周囲へ影響するのか」を詳しく調べる段階へ進んでいます。
研究が進んでも残るブラックホールの謎
ブラックホールの存在は、星やガスの動き、X線、重力波、シャドウの画像など、複数の方法で確かめられています。
それでも、事象の地平面の内側がどうなっているのかは観測できません。
また、超大質量ブラックホールが宇宙の初期にどのように生まれたのか、ジェットがどのような仕組みで作られるのか、落ち込んだ物質の情報がどうなるのかなど、未解決の問題も残されています。
まとめ
ブラックホールは宇宙に開いた穴ではなく、大きな質量が狭い範囲に集まり、光も外へ戻れなくなった天体です。
光や物質が戻れなくなる境界を、事象の地平面と呼びます。
ブラックホール本体は見えませんが、周囲を回る星や高温のガス、合体時に生じる重力波などから、その存在と性質を調べられます。
一方、事象の地平面の内側や、超大質量ブラックホールの誕生など、まだ分かっていないことも少なくありません。
ブラックホールは、重力や時空の性質を理解するための重要な研究対象なのです。
