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ホーキング放射 – ブラックホールからの放射


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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) )

(Fig.) アーティクル・イメージ

 

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:

  1. ブラックホールは、他の宇宙に入るための扉です。
  2. 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。
  3. 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

(関連記事)

physicsdetective.comwww.sciencealert.comwww.thoughtco.comwww.sciencealert.comwww.sciencefocus.com

----- 参考ビデオ -----

NASA | Massive Black Hole Shreds Passing Star

(1:02) 2015/10/22

 

----- 2018/12/22公開の記事を読んで -----

なんでもかんでも呑み込んでしまうブラックホールは、各々の銀河の中心部や、放浪的なものもあると言われ、宇宙に散在することが分かっています。

周囲に物質がある限り、どこまでも無限に大きく、宇宙をも呑み込むほどまでになるのかも知れないと考えられていました。 しかし、ブラックホールから放射(出て来るもの)があるとなると、いずれは縮んで行き、さらには消滅してうか、ブラックホールとは異なる概念の終焉天体になるのかも知れません。

呑み込んだり、放射したり... アクティブなブラックホール。そんなブラックホールは宇宙の歴史の中で、どのような役割になっているでしょう。

 

ホーキング放射 - Wikipedia

事象の地平面 - Wikipedia

エントロピー - Wikipedia

 

----- パズルのピース -----

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