ホーキング放射 – ブラックホールからの放射 - ブログ

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ホーキング放射 – ブラックホールからの放射

(図 Black Hole クレジット NASA, and M. Weiss(Chandra X -ray Center) )

ホーキング放射の概念を理解するには、私達にはブラックホール(black hole)に関する一般的な情報が必要です。何故ならば、このトピックはブラックホールに完全に関連しているからです。あなたは、こんなことを考えようとすることはありますか、もしもブラックホールが、私達がそれらを見られるよりも本当に黒かったなら。さあ、これらの質問の答えを見つけましょう。

ブラックホール

(Fig.1) ブラックホールのイメージ

ブラックホールに関する一般的な情報を知っておく必要があります。例えば、ブラックホールは重い質量の塊で、ブラックホールの近くで時間が遅くなるなど、多くのことです。ブラックホールについてもう少し詳しく見てみましょう。
科学者達は、この物体を宇宙の怪物と名付け、それはその性質に合っています。はい、彼らはとてもとても大きい質量の天体で、そして最も重要なことは、このような莫大な質量は、シンギュラリティ(singularity)[特異点]と呼ばれる点に集中します。このような莫大な質量のため、ブラックホールの近くで時間が遅くなります。

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(図 Massive Black Hole Shreds Passing Star クレジットNASA)

宇宙の怪物の誕生

(Fig.2) 星の寿命、超新星

ブラックホールは、太陽の20倍の質量にほぼ等しい重い質量の星の死体です。星での核融合(nuclear fusion)のプロセスが止まるとき、安定性を失います。これは、水素(hydrogen)がヘリウム(helium)に融合し、ヘリウムがリチウム(lithium)に融合し、リチウムがベリリウム(beryllium)に、ベリリウムがホウ素(boron)に、ホウ素が炭素(carbo)に、炭素が窒素(nitrogen)に、窒素が窒素に融合します (鉄(iron)はさらに融合できません)。このプロセスが星で行われると、その星は燃料を失い、その星で爆発が起こりました。
その爆発は超新星(supernova)と呼ばれます。ここで重力が作用します。そして、星は自身の中心核に向かって縮み、そして、シンギュラリティの単独の点に変換されます。何故ならば、単独の点にこのような莫大な質量があるため、そのシンギュラリティは他のどの天体よりも、時空間により大きな曲線を作ります。したがって、この時空間の曲線とシンギュラリティは、集合的にブラックホールと呼ばれます。

ブラックホールの興味深い隠された性質

ここで、私達はあるポイントを得ました。ブラックホールは、時空に曲線のような大きくて深い穴を作ります。それが、ブラックホールの近くで時間が遅くなる理由です。ブラックホールで、何ものでも、どこからも逃げられないことを意味する部分は、事象の地平線(event horizon)と呼ばれます。事象の地平線に足を踏み入れた後は、光でさえ逃げることはできません。

ブラックホールについての理論と予測

ブラックホールは、宇宙の他のどの天体より、とても過酷で極めて異なる性質を示しています。このために、ブラックホールに関する多くの理論とアイデアがここにあります。ブラックホールは、アルバート・アインシュタイン(Albert Einstein)氏により最初に予測されました。ブラックホールに関連するいくつかのアイデアは次のとおりです：

ブラックホールは、他の宇宙に入るための扉です。
ブラックホールのもう一方の端は、平行宇宙(parallel universe)のホワイトホール(white hole)に繋がっています。
ブラックホールの唯一の仕事は、総てを呑み込み、宇宙を終わらせることです。

ホーキング放射に関する用語

(Fig.3) ホーキング放射の熱力学表記

ホーキング放射(Hawking’s radiation)を理解するために、私達には、熱力学の第二法則(2nd law of thermodynamics)について一般的な情報が必要です。熱力学の第二法則によれば、孤立した系のエントロピー(entropy、無秩序)は増大するか、または一定のままで、エントロピーが減少することはありません。

しかし、この原理をブラックホールに適用すると、ブラックホールがあらゆる天体を永久に呑み込み、そうして、ここではエントロピーが減少することを、私達は理解できます。これは熱力学の第二法則に反しています。しかし、この背後にある現実とは、ブラックホールの事象の地平線の面積の増加は、エントロピーの総測定値なことです。もしも、ブラックホールの外側の天体のエントロピーを追加し、事象の地平線の面積を増やすのならば、私達は一定値のエントロピーを得ることができます。この方法で、熱力学の第二法則もブラックホールで適合します。

しかし、スティーブン・ホーキング(Stephen Hawking)氏がこのアイデアを得たとき、彼は多くの科学者を訪ねて、次のように指摘しました。もしもブラックホールにエントロピーがあるならば、温度もまた必要です。だから、体温がある人なら誰もが知っているように、特定の割合で放射を放ちます。しかし、もしも私達がそれを考えようとしたのなら、もしもブラックホールからも光が逃げられないのならば、それで、どのように放射線を放出するのでしょか。ですが、スティーブン・ホーキング氏は、ブラックホールが放射を放出するという計算を得ます。

私達は、量子論だけの助けで、答えを得ることができます。量子論によれば、その放射はブラックホールから放射されたのではなく、事象の地平線に近い空間から放射されます。事象の地平線近くの空間から放射される放射線は、ホーキング放射と呼ばれます。この放射のために、私達は、宇宙空間でブラックホールを容易に検出できます。

----- 出典 -----

(掲載終了した元記事のウェブ保存版)

Hawking’s radiation | Space Documentary

----- 参考ビデオ -----

NASA | Massive Black Hole Shreds Passing Star