こうした天体についての知識が深まるにつれ、ブラックホールへの関心も高まり続けています。最近のニュースは、珍しい「中間質量」ブラックホールの発見です。これは、ブラックホールの仲間に加わったばかりの存在です。
太陽の数倍の質量を持つブラックホールもあれば、10億倍を超える質量を持つものもあることは、すでに分かっていました。しかし、最近、球状星団47きょりゅう座で発見された、太陽の2,200倍の質量を持つもののような中間的な質量のブラックホールは、驚くほど見つかりにくい存在です。
近づきすぎたものを何でも捕らえる重力の牢獄であるブラックホールは、あらゆる年齢や職業の人々の想像力を、なぜこれほどかき立てるのでしょうか。
「暗黒星」
1783年にはすでに、ニュートン力学の枠組みの中で、光さえも重力から逃れられないほど高密度の「暗黒星」という概念が提唱されていました。提唱したのは、英国の哲学者で数学者のジョン・ミッチェルです。
アルベルト・アインシュタインが1915年に一般相対性理論を発表し、宇宙についてのニュートンの記述に取って代わるとともに、空間と時間が密接に結びついていることを明らかにしてから間もなく、同じドイツ人のカール・シュヴァルツシルトとオランダ人のヨハネス・ドロステは、それぞれ独立に、球状または点状の質量に関する新たな方程式を導き出しました。
当時はまだ数学上の好奇心の対象にすぎませんでしたが、その後の四半世紀の間に、核物理学者たちは、十分に質量の大きな恒星は自らの重みで崩壊し、かつて理論化されたブラックホールになることを理解しました。
その存在はやがて、強力な望遠鏡を使う天文学者たちによって確認されました。さらに近年では、衝突するブラックホールが、重力波の発生源となり、米国のLIGO観測装置で検出されました。
高密度の天体
こうした天体の密度は、想像を絶するほどです。太陽がブラックホールになるとすれば、現在の直径約140万kmから、直径6km未満にまで縮まらなければなりません。この「シュヴァルツシルト半径」の内側の平均密度は、1立方センチメートルあたり約200億トンにもなるでしょう。
ブラックホールに近づくほど重力が強まり、その引力が増す様子は劇的なものになり得ます。
地球では、地表に私たちを引きつける重力の強さは、地球から少し遠い頭の位置でも、足元とほぼ同じです。
しかし一部のブラックホールの近くでは、頭から足までの重力の差が非常に大きく、原子レベルで引き裂かれ、引き伸ばされてしまいます。この過程はスパゲッティ化と呼ばれます。
1958年、米国の物理学者デヴィッド・フィンケルシュタインは、ブラックホールの「事象の地平面」と呼ばれるものの本質を初めて見抜きました。彼はブラックホールを取り囲むこの境界を、完全な一方向性の膜と表現しました。
それは、戻ることのできない球体を包み込む、触れることのできない表面です。この球体の内側に入ると、ブラックホールの引力はあまりにも強く、光でさえ逃れられません。
1963年、ニュージーランドの数学者ロイ・カーは、より現実的な回転するブラックホールの方程式を解きました。その解からは、時間をさかのぼる移動を可能にする閉じた時間的曲線が導かれました。
一般相対性理論の方程式におけるこうした奇妙な解は、1949年にオーストリア系米国人の論理学者クルト・ゲーデルの研究で初めて登場しましたが、説明のついていない数学上の産物にすぎないと考えられるのが一般的です。
ブラックホールとホワイトホール
1964年、米国人の作家アン・ユーイングと理論物理学者ジョン・ホイーラーが「ブラックホール」という用語を導入しました。その後1965年には、ロシア人の理論天体物理学者イーゴリ・ノヴィコフが、ブラックホールの仮説上の反対物を表す「ホワイトホール」という用語を導入しました。
物質がブラックホールに落ち込むなら、ホワイトホールから私たちの宇宙へ噴き出してくるのかもしれない、という考えでした。
この考えの一部は、アインシュタイン＝ローゼン橋として知られる数学的概念に基づいています。1916年にオーストリアの物理学者ルートヴィヒ・フラムが数学的に発見し、1935年にアインシュタインと米国・イスラエルの物理学者ネイサン・ローゼンが再び取り上げたこの概念は、後にホイーラーによって「ワームホール」と名付けられました。
1962年、ホイーラーと米国の物理学者ロバート・フラーは、こうしたワームホールが、同じ宇宙の中で光子1個を運ぶだけでも不安定になる理由を説明しました。
事実とフィクション
（ブラックホールの）入り口に入り、宇宙の別の場所、つまり空間や時間の別の地点に再び現れるという発想から、数え切れないほどのSF作品が生まれました。たとえば、ドクター・フー、スターゲイト、フリンジ、ファースケープ、そしてディズニーのブラックホールなどがあります。
現在制作されている作品では、登場人物が私たちの宇宙とは異なる宇宙や並行宇宙へ旅をすると描くだけで済む場合もあります。数学的には実現可能に見えますが、もちろん、そのような宇宙の存在を裏付ける物理的証拠はありません。
しかし、少なくとも限られた意味での時間旅行が現実ではないということではありません。非常に速く移動したり、あるいはブラックホールに落ち込んだりすると、静止している観測者が経験する時間に比べ、時間の進み方は遅くなります。
世界を高速で飛行した時計によって、この現象は実証されています。時計は、アインシュタインの特殊相対性理論に沿った時間のずれを示しました。
2014年の映画インターステラーでは、ブラックホールの周辺でこの効果を描き、マシュー・マコノヒー演じる宇宙飛行士クーパーが時間を未来へ進んでいるかのような感覚を生み出しました。
どこか妙に親しみやすい名前ですが、「ブラックホール」という言葉はやや誤解を招くかもしれません。物質が、途方もなく高密度の天体に落ちるのではなく、時空に開いた穴へ落ちていくかのような印象を与えます。
ブラックホールの事象の地平面の内側に実際に何が存在するのかは、盛んに議論されています。それを理解しようとする試みには、弦理論における「ファズボール」という見方や、「スピンフォーム・ネットワーク」または「ループ量子重力」と呼ばれる量子重力理論によるブラックホールの記述があります。
確かに思えることが一つあるとすれば、ブラックホールはこれからも長い間、私たちの好奇心をかき立て、魅了し続けるということです。
