最終更新日: 2024 年 9 月 29 日

目に見えないブラックホールの足跡をたどる：重力の影響と近くの星への影響

ブラックホールとは何ですか?

ブラックホールは、重力場が非常に強いため光が逃げられず、見えなくなる天体です。これらは、大質量星の中心（超新星）の重力崩壊によって形成された天体です。この現実は、18世紀にはすでに予想されていた。ジョン・ミシェル(1724 - 1793) は、今日、事象の地平線を粒子や放射線の乗り越えられない限界として定義する一般相対性理論によって厳密に記述されています。

重力相互作用による間接観測

ブラックホールは、周囲への重力の影響によって検出できます。天体物理学では、これは、光源が見えない領域の周りの星やガスの動きの研究に変換されます。

星の速度曲線:コンパクトな領域に近い星の軌道速度を測定することで、中心天体の質量を推定することができます。いて座 A* のある天の川の中心など、目に見えない過剰な質量は、ブラックホールの強力な兆候です。
重力レンズ:強力な重力場による光線の偏向により、重力レンズ効果によって孤立したブラックホールが現れることもあります。

降着円盤からのX線

降着相のブラックホールは周囲の物質を引き寄せ、高速で回転する高温の円盤を形成します。内部摩擦により円盤の温度が数百万ケルビンに上昇し、特殊な衛星 (チャンドラ、XMM ニュートンなど) で検出可能な X 線の放出が引き起こされます。

X 線放射のスペクトルと変動は、ブラックホール付近の環境の質量、回転速度 (スピン)、および構造に関する情報を提供します。

電波観測と直接撮像

2019 年にイベントホライゾン望遠鏡 (EHT) によって撮影された超大質量ブラックホール M87 の影の歴史的な画像は、大きな進歩でした。この電波望遠鏡の世界的なネットワークは、超長基線干渉法 (VLBI) によって動作し、降着円盤に囲まれたブラックホールの影を「見る」のに十分な角度分解能を可能にします。

重力波検出

連星ブラックホールの合体により重力波が生成され、地上の干渉計 (LIGO、Virgo、KAGRA) によって検出されます。これらの波は時空の変形であり、10程度の長さの変化を検出できる超高感度レーザー干渉計を使用して測定されます。^-19氏。

波形解析により、観測された系の質量、スピン、距離を抽出できるため、ブラックホールの極限物理学を研究するための新しい観測チャンネルが提供されます。

表：ブラックホールの観察方法のまとめ

天体物理学におけるブラックホールの主な検出方法
方法	物理原理	検出された信号の種類	楽器の例
重力の影響	星やガスの公転運動への影響	速度曲線、重力レンズ	光学天文台: VLT、ケック
降着円盤からのX線	ディスク内の摩擦とイオン化による熱	X線	衛星: チャンドラ、XMM-ニュートン
VLBI 無線イメージング	高角度分解能干渉計	ブラックホールの影の直接画像	イベントホライズンテレスコープ (EHT)
重力波	合体中の時空の時間的歪み	可聴周波数の重力信号	ライゴ、乙女座、カグラ

出典:
• C.W. マイズナー、K.S. ソーン、J.A. ウィーラー、重力、1973年。
• アボット B. ら、ブラックホール連星合体による重力波の観測、物理学。レット牧師。 116、2016年。
• イベントホライゾンテレスコープコラボレーション、最初の M87 イベントホライゾン望遠鏡の結果、天体栄養学。 J.レット。 875、2019年。
• NASA チャンドラ X 線天文台、https://チャンドラ.ハーバード.edu

ブラックホールは永遠に存在していたのでしょうか？

ブラックホールは恒星の進化の結果だけではなく、ビッグバン後の最初の数秒から存在していたものもある可能性があります。それから私たちはについて話します原始ブラックホール。恒星のブラックホールとは異なり、これらの仮説上の天体は星の崩壊からではなく、宇宙初期の極端な密度変動から生じ、宇宙初期の急速な膨張によって増幅されたと考えられます。宇宙のインフレーション。

物理モデルによると、宇宙の特定の領域が局所的に臨界密度を超え、即時の重力崩壊を引き起こした可能性があります。これらの原始ブラックホールが本当に存在する（または現在も存在する）場合、その質量は小惑星未満から太陽質量数千個に至るまで、非常に多様である可能性があります。彼らの存在は、特に、問題の一部を説明するのに役立つ可能性があります。暗黒物質、ただし、直接的な検出はまだその存在を確認していません。

この意味で、ブラックホールは星から生まれた物体であるだけでなく、宇宙初期の極限状態の目撃者である可能性もあります。したがって、彼らの研究により、インフレーション、量子重力、統一モデルなどの物理学の基本理論をテストすることが可能になります。

原始ブラックホールと恒星ブラックホールの比較
特性	原始ブラックホール	恒星ブラックホール
起源	宇宙初期、ビッグバン後の密度変動	超新星爆発後の大質量星の核の重力崩壊
研修期間	ビッグバン後の最初の1秒で	ビッグバン（大規模な星形成後）から数億年後
質量範囲	$\sim10^{-5}$ g (プランク質量) から数千太陽質量まで	数個から数十個の太陽質量まで
観察	現在までの仮説であり、直接検出されていない	X線、重力波、星の力学によって確認される
潜在的な宇宙論的役割	暗黒物質の可能性のある候補。標準模型を超えた物理学のテスト	銀河における恒星の進化の一般的な産物

参考文献:
• カー B.J.、ホーキング S.W.、初期宇宙のブラックホール、MNRAS、168、399–416 (1974)。
• Carr B.J.、Kühnel F.、暗黒物質候補としての原始ブラックホール、核素粒子科学年次レビュー、70、355–394 (2020)。
• 佐々木正人ほか、原始ブラックホール—重力波天文学の視点、古典重力と量子重力、35(6)、063001 (2018)。
• ゼルドヴィッチ Y.B.、ノヴィコフ I.D.、相対論的天体物理学 Vol. 1、シカゴ大学出版局（1971）。
• アボット B. ら。 (LIGO科学コラボレーションおよびVirgoコラボレーション)、GWTC-3: LIGO と Virgo が第 3 回観測の後半で観測したコンパクト連星合体、物理学。 Rev. X 11、021053 (2021)。