「ブラックホール」とはどんなもの？

「ブラックホール」とは詳しく言うとどういうものなのですか？
また、ブラックホールの詳細について書かれたサイトも教えてください。

No.7 回答者： luune21 回答日時： 2006/01/24 08:34

#3です。

返事が遅くなって申しわけありません。

＞この文章一部を掲載しても良いですか？

私はかまいませんよ。
学習にお使いになるのであれば、gooもかたいこと(権利)は言わないと思いますので大丈夫でしょう。

この回答へのお礼

ありがとうございます。これで良いレポートが作成できます！

お礼日時：2006/01/24 20:52

No.6 回答者： satoumasaru 回答日時： 2006/01/20 21:31

こんばんは、

「ブラックホールを詳しくいうとどういうものですか」ですか・・・・
うーん、詳しく言うと何千ページの本になってしまいますし、こんな省スペースではとても書けません。でも折角のご質問ですので、以前、この掲示板に私が書かせていただいた内容を一部変更して書かせていただきます。

ボールを水平に投げてみましょう。ボールはどうなりますか？　しばらくするとボールは地面に落ちてきます。なぜでしょう？　地球の引力があるからですね。（そんなもの当たり前だって言わないで下さい）

ボールをもっと早く投げることができれば、ボールはおちてきません。（正確には落ちているのですが、地球が丸いため落ちてこないのです）　これが人工衛星なのです。で、もっと早く投げることができれば、地球をまわることなく、そのまま飛んでいってしまいます。そのとき、これ以上まらば、そのまま、飛んでいってしまうという速度を脱出速度といいます。落ちてくるのはその重力のためですから、重力の強いところでは脱出速度は速くなります。地球では秒速11.18km/秒ですが、太陽だと617.5km/秒にもなります。

太陽からの脱出速度はすごいものですね。でも光速度は毎秒約29,885km/秒にくらべればたいしたことはありません。だから太陽からでた光は地球に届くのです。

でも、もっともっと重力の強い天体ではどうなるでしょうか、あまりにも強いとついには脱出速度が光速度を上回ってしまいます。こういう星ではどうなるでしょうか？　星からでた光は、また星に戻ってしまうか、永遠に星の周りをまわるだけとなってしまいます。ですからこの星は、光さえも脱出できません。ということは、中のものは外にでることができませんし、外から観測した場合、光でみることはできません。こういうものがブラックホールなのです。

重力が光を吸い込むというのは正しくありません。光が脱出できないのです。

ですから、重力だけでいえば、他の星とかわりません。もし、もし「太陽とおなじ重さのブラックホール」が「太陽」といれかわったとしますね。だったらすぐに惑星を吸い込むか？　そんなことはありません。惑星も現在と全く同じ軌道をまわります。（もっとも、空は真っ黒になり、太陽の熱等は受け取ることはできなくなりませんから、私達にとっては大問題ですが。）

ブラックホールを考える場合、正確には一定の条件をつけて一般相対論の重力方程式をとかなければなりませんが、こう考えていただいたらわかりやすと思います。

では、一般相対論ではどうなるのでしょうか、アインシュタインの一般的相対論を無電荷、無回転という条件で質点のまわりの時空がどうなっているのかを解いたものにシュワルツシルド解というのがあります。

これによると重力源となっている質量Ｍの天体が半径２ＧＭ／Ｃ^2(Ｇは万有引力定数、Ｃは光速度、C^2は光速度の自乗)よりも内側の領域に集中して存在するなら、その半径よりも内側では脱出速度が光速度を越えてしまいます。（この２ＧＭ／Ｃ^2をシュワルツシルド半径といいます。）

この式をみていただいたらわかりますが、Ｍが○○以上という定義は全くありません。問題なのは質量もさることながら、その質量がどれぐらいの空間にはいっているかが問題なのです。シュワルツシルド半径は、式をみていただいたとおり質量に比例します。でも実際の質量は半径半径の三乗に比例しますね。ということは、小さい質量だとうんとコンパクトに無茶苦茶圧縮しなければブラックホールにならないですが、大きい質量だとそんなに圧縮しなくともブラックホールになります。

ですから、地球程度の質量ですと角砂糖程度まで圧縮しなければすればブラックホールになりますし、銀河程度だと水ぐらいの密度でもブラックホールになります。宇宙全体だと今の宇宙の密度ぐらいでブラックホールになるそうですよ。宇宙がひとつのブラックホールだという説があるぐらいです。

銀河全体や宇宙全体は別として普通にいわれる恒星からブラックホールになる場合のことをわかりやすく書いてみましょう。

星の中で核融合が行われるというのはご存じですよね。星は最初は水素とほんの少しのヘリウムからできています。ガスの中でヘリウムを核融合させているのが恒星です。最初は水素だけを燃やしているのですが、つぎはヘリウムを核融合させ、炭素、酸素、さらには最終的に鉄を核融合でつくります（太陽程度では炭素までしかつくれません。鉄を作れるのはかなり大きな青色巨星）。

ところが鉄までつくると、鉄はもっとも安定している元素であるため核融合はできません。そのため中心部分が不安定になり、最後には星の大部分を吹き飛ばす超新星になります。その際に中心部分が残るのですが、もうこれは普通の元素では支えることができず、直径が数キロメートルという中性子が大部分の中性子星になります。

ところが、この中性子星でも太陽の３倍以上の質量は支えることはできません。そのため星がどんどん小さくなります（これを重力崩壊といいます）。そしてその星のおおきさがシュワルツシルド半径よりも小さくなってしまいます。こうしてできたのが恒星のなれのはてのブラックホールです。

参考ＵＲＬは大阪教育大学の福江さんのＨＰです。ごちゃごちゃしていますが、いろいろな情報がリンクされています。

参考URL：http://quasar.cc.osaka-kyoiku.ac.jp/~fukue/

この回答への補足

どうもありがとうございます。今頃申し訳ないのですが、質問内容が間違っていました。「ブラックホールを詳しくいうと・・・」ではなく、「ブラックホールを簡単にいうと・・・」です。でもとても参考になりましたよ！

補足日時：2006/01/21 19:47

No.5 回答者： joshua01 回答日時： 2006/01/20 18:31

こんにちは。

なかなか理解しにくいですよね。次のような回答はいかがでしょう。

ブラックホールは、鉄の塊です。もう少し正しめ言うと「ブラックホールになる直前の段階では巨大な鉄の塊で、それがあることをきっかけに特殊な物質に変わり、おかしなことになった」というべきですが・・・・

ブラックホールは、昔、太陽でした。私たちの太陽より大きめながらこれと同様に水素が「核融合」という特殊な燃え方をする火の玉で、すこしずつ中心部に燃えカスがたまりました。その燃えカスは周りから押し縮められながら鉄に変わり、巨大な鉄の球として成長しました。

あるとき、あまりに大きくなったため、突然自分の重力で内側に崩れて（原子と原子の間の隙間がまとめて崩れてしまった）より小さな球になり、そのショックで周りの物質が大爆発をしたためにさらに縮められた結果、「角砂糖ひとつの大きさで地球ほどの重さ」という特殊な物質でできた大きさも直径数Km程度の、星としては極端に小さなものになってしまいました。

　すると不思議なことが起きました。
　重い物質なので、巨大な重力を持ち周りの物質をひきつけるのは不思議はないのですが、他の星の光で照らされれば多少は明るくなるはずなのに「重力のせいで光も飛び出せない」ので全く光らず、他の星を吸い込めば（衝突すれば）起きる爆発の明かりも外に出ず、静かに成長を続ける不気味な存在になったのです。

　では、どうして発見されたのでしょう。実はまだブラックホールは「発見」されていません。暗い上に小さく「発見」のしようもないのです。
しかし、ブラックホールに落ちそうになっている物体が円盤状に集まって出している特殊な光や、「あまりにも重く、かつ、小さい」が故に普通は大きな星の周りで少しだけ観測されるはずの「重力による空間の曲がり」を他の星の光の曲がり具合で観測することができ、次々と「ブラックホールがあればその周りで起きるはずだ」と予言された現象が観測され、また、理由のわからなかった不思議な形の星がブラックホールの発生させる現象で説明がつくようになり、あたかも「発見」したと言われています。

　さてさて、いかがでしょうか。
お役に立てば幸いです。

この回答への補足

わかりやすい説明ありがとうございます。質問内容に間違えて「ブラックホールを詳しくいうと・・・」と
記載してしまったので（正しくは「ブラックホールを簡単にいうと・・・」です。）、てっきり難しい回答がたくさん寄せられるのではないかと思っていましたが安心しました。
ところでまた質問ですが、ブラックホールはあまりにも重力が大きいために光まで引きつけてしまって全く光らないのですよね？

補足日時：2006/01/21 19:57

No.4 回答者： bigskul 回答日時： 2006/01/20 16:47

＃２です。

ニュートンという雑誌は"ビジュアル系"ですので、ガチガチの理系じゃなくても割合とっつき易いと思います。
２階があるくらいの大きさの本屋さんなら大抵売ってるので一度ちらっと読んでみてはどうでしょうか？
時々きれいなポスターやカレンダーがおまけでついてくることもあってお勧めです。

No.3 回答者： luune21 回答日時： 2006/01/20 08:30

巨大なトランポリンがあったとします。

そのネットは伸びやすいのですが絶対に破けない素材でできています。

今、真ん中にバレーボールを置いてみます。バレーボールは軽いので横から見たら、ボールの所がたいへん緩やかにへこんでいますが、ほとんど平たく見えます。ビー玉みたいなものを転がしてもほとんど影響なくあっちへ転がっていきました。

次に、砲丸投げの玉を置いてみます。玉の所がビヨーンと1mくらいくぼんでしまいました。穴があいたように見えるでしょう。そこにまたビー玉を適当な速さで転がしてみます。
穴から遠い所では問題なく真っ直ぐ転がりますが、穴の近くにくると穴の中心方向へちょっと曲がりますが、また向こうへ出て行きます。
もうちょっと内側に転がしたものは余計に加速されて(スイング・バイ)、斜め向こうに飛び出していきました。
さらに内側へ転がすと、渦巻き型に回りながら落ちていき、2度と出てきません。しかし、穴の真ん中でも充分な速さで転がしたビー玉は穴の上を通過していき、無事に向こうへ転がって行きます。

今度はパチンコ玉を置いてみます。パチンコ玉といっても重さが何と5億トン！もあるものです。これがブラックホールのスケールなのです。これは砂粒の大きさのものでも、100万トンの巨大タンカーが沈んでしまう重さです。やはり砲丸の時よりももっと大きくへこむでしょうね。
しかし、これはあまりに重く、また大きくへこんでいるために穴の近くにどんなに速くビー玉を転がしても、ビー玉は脱出できません。世の中で、一番速い光の速さで転がしても脱出できないのです。これがゴルフであればホールインワンも簡単なのでしょうが…。
これが空間の次元を一つ落として、平面で考えるイメージです。
(自明であればすみません)

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どれくらいが「詳しく」ということになるのかわかりませんが、↓のサイトではいかがでしょう。Jaxa・宇宙科学研究本部のページです。
全部で５ページあります。P2以降は、最下段に2段あるボタン・上段の真ん中をクリックして、先へお進みください。

参考URL：http://www.isas.ac.jp/ISASnews/No.251/chap3-01.h …

この回答への補足

とてもわかりやすいです。今、自由テーマ学習でブラックホールについてのレポートを作成しています。この文章一部を掲載しても良いですか？

補足日時：2006/01/21 20:21

No.2 回答者： bigskul 回答日時： 2006/01/20 04:35

ブラックホールとは、簡単に言うと光すらも脱出できない程の強力な重力をもった天体のことです。

そのため、直接光で観測することは出来ません。
質量が集まり過ぎて、三次元空間に"穴"が開いた状態と考えられています。
って聞いてるのはそんな基本的なことじゃない？^^

「ニュートン」という雑誌がたまにその手の特集をやっていますよ

No.1 回答者： cat_cat 回答日時： 2006/01/20 04:16

NASAのサイトです。

参考URL：http://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/blackhole.html