ブラックホールは死ぬのでしょうか？

天文学者のミスティ・ベンツは、ブラックホールは吸い込むものではないと知ってほしいと願っています。「ブラックホールは宇宙の掃除機のように回り回ってすべてを吸い込むわけではありません」と彼女は言います。「ブラックホールは他のすべてのものと同じように重力を利用しているだけです。」

ブラックホールは、宇宙のストローとは異なり、非常に巨大で密度が高いため、その強い重力に捕らわれたものは何も逃げることができない宇宙の場所である。

最近、ブラックホールが頻繁にニュースになっています。銀河の中心にある超大質量ブラックホールの近くで発見された群れから、2 日ごとに太陽の質量に相当する質量を飲み込む、観測史上最速で成長しているブラックホール、宇宙の夜明けにまで遡る、これまでで最も遠くで発見されたブラックホールまで。ブラックホールは、その誕生から遠い未来の消滅まで、宇宙の魅力的な一部です。ここでは、現在私たちが理解しているブラックホールの物語を最初から最後まで紹介します。

誕生

恒星質量ブラックホールは、死とともにその生涯をスタートします。太陽の少なくとも 10 倍の質量を持つ恒星が、すでに水素をヘリウムに、ヘリウムを炭素や酸素から鉄に至るまで、恒星の中心核の奥深くにある他の元素に融合した後、燃料を使い果たしたときに誕生します。重い金属の心臓部には、結合するものが何も残っていません。寿命が尽きて爆発し、中心核が崩壊するとともに、激しい爆発で外層を吹き飛ばします。

「もしそこに十分な質量、つまり恒星の中心に太陽の3倍の質量があれば、ブラックホールに崩壊します。これらは恒星と同程度の質量を持つため、恒星質量ブラックホールと呼ばれています」とジョージア州立大学の天文学者ベンツ氏は言う。

ブラックホールの誕生とそれを形成し始めた恒星の死との関連は、宇宙全体でかなり一般的な現象です。恒星とブラックホールは密接に絡み合っており、特に星形成が高速で進行している宇宙の領域ではその傾向が顕著です。

「新しい星が生まれている場所に死んだ星が見つかるというのは、実のところよくあることです。なぜなら、最も質量の大きい星は寿命が短く、すぐに消えてしまうからです」とベンツ氏は言う。「星の寿命はその質量によって決まります。最も質量の大きい星は、燃料を非常に早く使い果たしてしまうため、寿命がずっと短くなります。」

ベンツ氏が「巨大リサイクルプログラム」と呼ぶ現象では、ブラックホールの生成が実際に新しい星の形成をも引き起こす可能性がある。新しい星の集団が形成されると、その中で最も質量の大きい星は、その短い寿命の終わりに爆発し、急速に死滅する。「その衝撃波がさらに多くのガスと塵を圧縮し、より多くの星の形成を引き起こします。そして、その中で最も質量の大きい星は短命で爆発し、新たな衝撃波を放出して、より多くの星の形成を開始します。これは、星の死が真新しい星の誕生を引き起こす連鎖反応なのです」とベンツ氏は言う。

しかし、恒星質量ブラックホールは全体像のほんの一部に過ぎません。それよりずっと奇妙なのが、起源がはるかに不明瞭な巨大な怪物、超大質量ブラックホールです。これらは私たちの銀河系を含む銀河の中心で観測されており、他の小さなブラックホールとは形成方法が少し異なるようです。

「現在私たちが目にする超大質量ブラックホールは、太陽の100万倍から10億倍の質量を持っています。しかし、最初からそのようにはなっていませんでした。最初はもっと小さかったのです。そこで疑問なのは、ブラックホールがどのように形成され、どのようにしてその大きさになったのかということです」とクイーンズボロ・コミュニティ・カレッジの理論天体物理学者、ジリアン・ベロヴァリー氏は言う。

天文学者たちは、超大質量ブラックホールが急速に大きくなり、約 130 億年前に出現したことを知っています。その時点で、ベロヴァリー氏は「太陽の 10 億倍の質量を持つブラックホールがあることはすでにわかっています。ブラックホールが宇宙の非常に初期に存在していたことはわかっていますが、非常に狭い空間にこれだけの質量があるというのは奇妙で、それがどのようにしてそこにたどり着いたのかを知りたいのです」と語ります。

「これは鶏が先か卵が先かという問題です」とベンツ氏は言う。「宇宙のごく初期には、非常に高密度な領域が直接崩壊してブラックホールが形成された可能性があります。物質が重力で崩壊し始め、その後ずっと崩壊してブラックホールになり、実際には星などを形成しなかったのかもしれません。」

もう一つの選択肢は、超大質量ブラックホールが初期の銀河で始まり、小さなブラックホールが幼い銀河の中心で形成され合体したというものである。

ベロヴァリー氏によると、これらの初期の超大質量ブラックホールの前身は、おそらく最初は中程度の大きさだったはずで、単なる恒星質量ブラックホールよりも大きくなければならなかったはずだという。恒星質量ブラックホールでは、これほど短期間で急速に成長して、私たちが観測した初期宇宙の巨大な物体を形成することはできなかったはずだ。

「超大質量ブラックホールは何らかの形で急成長を遂げなければなりません。形成されるときに小さすぎると、巨大化する時間が足りなくなってしまうので、形成されるときには中程度の大きさでなければなりません」とベロヴァリー氏は言う。

研究者たちは、初期の宇宙の高温のガスと塵からどのようにして最初のブラックホールが形成されたかを解明しようとしています。通常、そのような物質が一緒に崩壊すると、星が形成されます。そのため、初期の宇宙の化学には、最初のブラックホールを点火するのに役立つ何か異なるものがあった可能性があります。

「初期宇宙のガスはおそらく水素とヘリウムだけでできていたでしょう。ビッグバンで作られたのはこれらの元素だけで、他の元素はすべて星の中で作られたからです。まだ星がなければ、他の元素もまだ存在できないのです」とベロヴァリー氏は言う。初期宇宙の化学反応、そしてガスの運動、あるいは運動の欠如が、初期の宇宙におけるブラックホール形成のきっかけになった可能性がある。

育つ

ブラックホールは永遠に同じ大きさのままというわけではありません。ブラックホールに落ち込んだものは決して脱出できず、ブラックホール全体の質量に加算されてブラックホールが大きくなるため、ブラックホールは（不当に）ひどい存在として知られています。

「落ちてくるのがガスであろうと、別の恒星が引き裂かれて落ちてくるのであろうと、惑星が引き裂かれて落ちてくるのであろうと、何であれ、入り込むものは何でもバックホールの質量を増加させます。長い時間をかけて少しずつ物質を飲み込んでいくこの集積プロセスは、宇宙の歴史の中でブラックホールが成長していく過程の 1 つです」とベンツ氏は言う。

「ブラックホールが最も効率的に成長する方法は、ガスを飲み込むか、ガスを集めることだと私たちは考えています」とベロバリーは言う。「ブラックホールに落ちるガスは、浴槽の水が流れ落ちるのと同じです。つまり、渦を巻いて排水溝に流れ込むのです。ブラックホール内でもガスは同じように動作します。ブラックホールに重力で引き寄せられますが、動いているため、ブラックホールの周りで円盤状に薄くなり始め、最終的にブラックホールに落ち込みます。」

ガスを獲得するのが最も効率的な成長方法かもしれないが、ブラックホールは合体も辞さない。ブラックホール同士の衝突は、2つの目に見えない質量が合体することで終わる。これは、科学者が先進レーザー干渉計重力波観測衛星（LIGO）で観測できるもので、2015年に2つのブラックホールの合体による重力波を初めて検出した（発見の発表は2016年）。

「初めて、私たちは光に関係のない宇宙のことを学べるようになりました。これまで私たちは常に光と目に頼ってきました。光がなければ、宇宙について何も知ることはできません。光は私たちにとって素晴らしいものですが、初めて、合体するブラックホールなど、光では見ることができないものを見ることができるようになりました」とベロヴァリー氏は言います。「重力波がなければ、何が起こるかは決してわかりません。」

超大質量ブラックホールと恒星質量ブラックホールの間には、大きさの大きな隔たりがある。あらゆる観点からすると、中間サイズのブラックホール、つまり、より小さいブラックホールとより大きいブラックホールの間にちょうど収まる、中程度のサイズの、ちょうどよいブラックホールが存在するはずだ。

唯一の問題は、研究者がまだそれらを観察していないことです。

これは中間ブラックホールが存在しないという意味ではなく、多くの研究者が積極的にその探索を行っている。しかし、天文学者が星を引き裂く様子を観測できる近くの恒星質量ブラックホールや、大量のガスや塵や質量を獲得し、落下する衝突粒子が宇宙でこれまで観測されたどのブラックホールよりも明るく輝く超大質量ブラックホールとは異なり、中間ブラックホールは可視光で検出するのが難しい。

「重力がそれほど強くない中間ブラックホールは、それほど明るく輝く傾向がありません」とベンツ氏は言う。また、中間ブラックホールは光のX線波長でより明るく輝くことが予想されており、宇宙にはすでにその特定のスペクトルを支配する他の天体が存在する。

「他のものと区別するのは少し難しい」とベツンツ氏は言う。「おそらく、そういったものはどこかにあるのだろう。ただ、私たちが『ああ、確かに、今回はこれが間違いなくそれだ。これで誰もが信じられる』と言えるものを見つけるのに苦労しているだけだ。」

死

大きさに関わらず、ブラックホールは存在する過程で、誕生、成長といった特定の段階を経ます。しかし、ブラックホールは死ぬことがあるのでしょうか? スティーブン・ホーキングは、現在ホーキング放射として知られている物理メカニズムを通じて、ブラックホールが死ぬ可能性があると考えました。

その考えは、ブラックホールが単独でそこに留まっていた場合（もはや質量を蓄積していない場合）、最終的には亜原子粒子によって消耗される可能性があるというものです。ベンツ氏は、それは次のようなものだと説明しています。宇宙のいたるところで、亜原子粒子のペアが互いに隣り合って出現しています。ペアの片方は粒子で、もう片方は反粒子です。通常、宇宙に飛び出した直後に、互いにぶつかり合って再びエネルギーの中に消えていきます。

「これは単にエネルギーが質量に変換され、再びエネルギーに変換され、存在したり消えたりするだけです」とベンツ氏は言う。「それがブラックホールの近くで起こり、そのペアの半分がブラックホール内にあり、1つが事象の地平線の外側にあり、外側のもう1つが事象の地平線から逃れることができる場合、それはブラックホールから少しエネルギーを盗んだことになり、逃げてそのエネルギーを持ち去ることができます。」

このプロセスが繰り返し起こり、ブラックホールに新たな質量が加わらなければ、最終的にはブラックホール全体を放射して除去することができます。しかし、ブラックホールの場合、それが恒星質量であれ、超大質量であれ、あるいはその中間の質量であれ、少しでも影響を与えるには膨大な時間がかかります。

「宇宙の始まりの頃にブラックホールを作ったとしても、ブラックホールが死ぬにはまだ十分な時間が宇宙には残っていません。最初のブラックホールが死に始めるまでには、10^54年くらいかかるでしょう」とベンツ氏は言う。

巨大または超大質量ブラックホールと素粒子の間には信じられないほど長い時間と大きなスケールの違いがあるため、ブラックホールからのホーキング放射のゆっくりとした漏れを直接観察することは不可能です。ブラックホール類似体に関する実験では、スティーブン・ホーキングの理論がおそらく正しかったことが示されていますが、ブラックホールの存在の潜在的な終わりについては、まだ多くのことがわかっていません。

未回答の質問

実際、ブラックホール全般についてはまだ分からないことがたくさんありますが、ベンツ氏やベロヴァリー氏のような研究者は、私たちの理解における大きな空白を埋めるために取り組んでいます。

ベンツ氏は、遠く離れた銀河の中心にある超大質量ブラックホールが、どれほど巨大になり得るかを調べている。また、ブラックホールの大きさと、それが存在する銀河の特性との相関関係も研究している。彼女は、自分の観察結果が、ブラックホールが時間とともにどのように発達するかを解明し、宇宙の形成に関する疑問に答えるのに役立つコンピューターモデルに役立つことを期待している。

ベロヴァリーはレーザー干渉計宇宙アンテナ（LISA）に取り組んでいる。これは2030年代に計画されているミッションで、地球の軌道を追って250万キロ離れた巨大な距離に3機の宇宙船を配置する。これは宇宙に設置される重力波検出器で、LIGOに似ているが、恒星質量ブラックホールの合体ではなく超大質量ブラックホールの合体に焦点を合わせている。

「この発見にとても興奮しています。光では決して見えないものについての洞察が得られ、ブラックホールがどのように成長するのか、どれくらいの頻度で互いに合体するのか、ブラックホールは衝突したりガスを吸収したりして質量を得るのか、ブラックホールはどのように形成されるのか、ブラックホールはいくつあるのか、ブラックホールの中には見えない場所に存在するものがあるのか​​など、光では決して答えられないさまざまなことが分かるからです」とベロヴァリー氏は言う。

ブラックホールは興味深く、巨大で、まだほとんど知られていないが、研究者たちが確信していることが一つある。「ブラックホールは危険ではない。私たちの近くにあるものはないし、心配する必要はない」とベロヴァリー氏は言う。「心配すべきことは他にもたくさんある」

ベンツ氏も断固として同意する。「それらは極端ですが、怖いものではありません」と彼女は言う。ブラックホールが銀河を駆け巡り、世界や恒星系を飲み込んでいるのではないかという人々の恐怖に立ち向かうとき、彼女は太陽をまったく同じ質量のブラックホールに置き換えても、地球の軌道にはあまり変化がないと指摘するのが好きだ。「地球はこれまでと同じように太陽の周りを回り続けるでしょう。ただ、とても暗く冷たくなるだけです。飲み込まれるには、ブラックホールに落ちなければなりません。そして、もし太陽に落ちたら、それも非常に悪いことになります。」

「ブラックホールは私たちからとても遠いので危険ではありません。近づいたときだけ[危険]になりますが、その時は手遅れです」とベロヴァリー氏は言う。