ブラックホールってなんですか？

Question

ブラックホールに星が飲み込まれた瞬間の動画を見ました。
天体のことは何も知らないので、小学館の図鑑などを読んで、
ブラックホールについて調べてみたのですが、よくわかりません。
そんな素人の頭で考えてみたのですが、いくつか質問させてください。

(1)　ブラックホールは太陽よりも質量の大きな星が、「重力崩壊」を起こしてできるそうですが、
　　重力崩壊でその星が内部に向かって収縮していき、宇宙空間のある一点に、
　　光も抜け出せないほどの、ものすごい重力が集まった場所ができるという意味ですか？

ブラックホールは「黒い穴」という意味ですが、
　　「穴」はふつう平面に、ある方向を向いて開いているので、
　　宇宙空間に「穴」があるといわれても、あまりよくイメージできないのです。

他にも、座布団の上に重たい物を置くとまわりが沈み込むように、
　　宇宙空間が重力で歪められるという説明もありますが、
　　座布団だって平面なので、宇宙空間には通用しないと思うのですが。
　　そんな風に空間が歪むとしたら、宇宙では一方向にだけ歪むのではないと思いますし、　　　
　　宇宙のどこか一点を囲む、ものすごい重力で歪められた無数の面の行きつく先が
　　ブラックホールかもしれないと思うのですがどうなのでしょうか。

私としては、ブラックホールとは「穴」というよりも、宇宙空間にある、
　　時間も空間も歪めてしまう物凄い重力の集中した「点」のようにしか想像できないんです。
　　素人の考えです。間違いを指摘していただけないでしょうか？

(2)　ブラックホールの想像図といえば、巨大なガスの円盤が中心に向かって渦をまき、
　　中心から回転軸の両方向にジェットが噴射している絵だと思いますが、この円盤についてです。
　　
　　何でできているのですか？　バラバラになった星のカケラやガスでしょうか？
　　どちらの方向にまわっているのですか？　大きさや温度はどのくらいになりますか？
　　
　　この円盤はイメージ図では色つきで描かれますが、可視光で観測されるのですか？　
　　写真などは、Ｘ線で撮影したものに色をつけたのだと思っていたのですが・・・？
　
　　また、円盤というのは多少ふくらみがあるけれど平盤なものだと思うのですが、
　　この円盤はブラックホールのどの面にできるのですか？　
　　ブラッホールの回転軸とは垂直の方向でしょうか？

このように円盤を形成しながら中心に落ちてゆくなら「穴」のイメージになりますが、　　　　
　　この円盤は、すでに「事象の地平面」の内側になっているのでしょうか？
　　それとも円盤のなかのどこかに、「事象の地平面」があるのでしょうか？　　
　　（「事象の地平面」といのはどういうものか、まったくイメージできませんが・・・）

(3)　星を飲み込むブラックホールの動画ですが・・・　
　　　http://www.gizmodo.jp/2011/08/nasajaxa.html?__from=mixi
　　　恒星がブラックホールによって破壊され、吸い込まれるのは、
　　　この映像のようにあっという間なのですか？
　　　それとも、ある程度の時間がかかるのでしょうか？　
　　　　
宇宙には興味があるのですが難しくて分かりません。
ただ「いつか地球が飲み込まれる」という恐怖のイメージだけを持っているのも
おかしいと思ったので、恥を忍んで質問させていただきました。
ご教示、よろしくお願いいたします。

kagakusuki · Accepted Answer

念のために申しあげますが、ANo.3において、

>重力とは時空の歪みそのものであり、

と述べましたのは、重力が「歪んだ時空の効果による見かけ上の力」である事を強調するための一文であると同時に、後に続く

>重力が存在する事によって、空間が歪む訳ではありません。

という事の理由を説明するための一文です。
　厳密に言いますと、
「重力が存在する事によって生じる現象とは、時空が歪んでいる事によって生じる現象そのものであり、」
とした方が良いのかも知れませんが、これでは「重力が歪んだ時空の効果による見かけ上の力」である事を強調する効果が薄れるため、あえて「重力とは時空の歪みそのもの」という表現をしております。

さて、話を本来の質問に対する回答に戻しまして…

>この円盤は、すでに「事象の地平面」の内側になっているのでしょうか？
>それとも円盤のなかのどこかに、「事象の地平面」があるのでしょうか？

前述しました様に、事象の地平面よりも内側で起きた事は、事象の地平面の外側からは見る事が出来ません。
　ですから、降着円盤は事象の地平面よりも外側に形成されている事が判ります。
　例えブラックホールであっても、シュヴァルツシルト半径の何倍も離れた所に及ぼす重力的な効果は、基本的には通常の天体と殆ど同じです。
　恒星の周囲を惑星が回る様に、重力を持った天体（ブラックホールではない場合も多数あります）の周囲をガスを始めとする物質の流れが回るのが、降着円盤です。
　真空の宇宙では空気抵抗が無いため、重力源の天体からはるか遠くに離れた所から、小天体や宇宙船等の物体が、天体の重力に引かれて落ちて来た際には、何かと衝突しない限りは、落ちて来た物体は、最初に落下して来た時と同じ速度で、再び別の方向のはるか遠くに向かって飛び去ってしまうのですが、落下したものがガスの流れの場合には、ガス同士の摩擦等によりエネルギーを失うため、ガスの一部は飛び去る事なく重力源の天体の周囲を回り始めます。
　これが降着円盤です。

【参考URL】
　降着円盤 - Wikipedia
　　http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%99%8D%E7%9D%80%E5%86%86%E7%9B%A4

降着円盤／Accretion Disk
　　http://quasar.cc.osaka-kyoiku.ac.jp/~fukue/DISK/disk.htm

降着円盤内のガスは摩擦によってエネルギーを失い、次第に重力源に近い軌道へと落ちて行きます。
　ところが、ブラックホールの周りでは、相対論的な効果により、ブラックホールの中心からの距離が、シュヴァルツシルト半径の3倍よりも近い領域では、円軌道を描いてブラックホールの周囲を回る運動が、安定なものではなくなってしまうのです。
　そのため、シュヴァルツシルト半径の3倍にまで到達したガスは、ブラックホールの周囲を回り続ける事が出来なくなり、急速にブラックホールに向かって落ちて行きます。
　このため、ブラックホールの周りの降着円盤は、シュヴァルツシルト半径の3倍以内には存在せず、厚みの薄いドーナツの様な形となります。

【参考URL】
　宇宙科学研究所（ISAS） > レポート＆コラム > ＩＳＡＳニュース > バックナンバー > 2002年 > 2002年2月号 > X線で探るブラックホールの素顔
　　http://www.isas.jaxa.jp/ISASnews/No.251/chap3-03.html

>恒星がブラックホールによって破壊され、吸い込まれるのは、この映像のようにあっという間なのですか？
>それとも、ある程度の時間がかかるのでしょうか？

一般相対性理論的な効果の一つに、重力場の中（つまり時空の歪みが存在する場所）では、重力が強い程、時間の流れが遅くなる事が知られています。（実験によって確認されています）
　ブラックホールの重力は極めて強いため、事象の地平面に近付くにつれて時間の流れは遅くなって行き、事象の地平面においては完全に時間が停止してしまいます。
　このため、ブラックホールから遠く離れた場所から見た場合には、落下する物質は、いつまでたっても事象の地平面に到達しない様に見えます。
　一方、落下する物体にとっては、シュヴァルツシルト半径の数倍以内では、極めて短時間の内にブラックホールの内部に落ちて行く事になります。
　この様な、立場の違いによって、時間の流れ方が異なるのが、相対性理論の特徴の一つです。

尚、以下の参考URLのページに掲載されている記事に拠りますと、銀河の中心にある巨大ブラックホールに恒星が飲み込まれたと考えられる現象が観測された際に、強いX線が約10分間程、放射されるという現象が、数回観測されたそうです。
　これはおそらく、恒星がブラックホールの潮汐力によって引き裂かれて、数個の巨大なガスの塊に分解され、その各々のガス塊が、時間的な間隔を空けて降着円盤を形成したため、数回に分けてX線が放射されたのではないかと、私は推測します。
　ですから、この場合は、恒星が引き裂かれて出来た数個の塊の内の１個が、巨大ブラックホールの周囲で降着円盤を形成している時間は、10分程度であったという事になるのではないかと思います。
　或いは、そのブラックホールは半径が約2600万kmという巨大なものので、その周囲に出来る降着円盤もまた、巨大となるため、降着円盤の中で、最も地球に近い場所から放出されたX線が地球に到達する時刻と、最も地球から離れている場所から放出されたX線が地球に到達する時刻の間には、光が降着円盤の端から端までを横切るのに要する時間の分だけ、時間差が生じ、それが10分近くにもなっている、という可能性もあります。（もし、降着円盤の回転軸の方向から見た場合には、時間差は生じませんが）
　降着円盤を形成していたガスが、シュヴァルツシルト半径の3倍以内に達すると、ブラックホールの周りを回る事が出来ずに、ブラックホールに向かって落下して行きますから、先述の重力による時間の遅れによって、ガスが放出する電磁波の周波数が非常に低くなる（遠くから見ると電磁波の振動が遅くなっている様に見える）事と、単位時間内に放出される光子の個数が少なくなる（ガスの立場では同じペースで光子を放出していても、遠くから見るとそのペースが遅くなっている様に見える）事により、X線の放射は非常に弱くなります。
　つまり、この場合は、恒星が引き裂かれて出来た数個の塊の内の１個が、巨大ブラックホールの周囲で降着円盤を形成してから、その降着円盤を構成しているガスの殆どが、シュヴァルツシルト半径の3倍以内に到達するまでの時間が、約10分程度という事なのだと思います。
　そして、先述の様に、ブラックホールの間近では時間の流れが遅くなっているために、シュヴァルツシルト半径の3倍以内に到達し、降着円盤を形成しなくなったガスは、現在も事象の地平面の外側を落下中で、いつまで経っても事象の地平面には到達しないと思われます。
　尚、約10分という値は、あくまでも今回観測された事例における値であり、飲み込むブラックホルの質量や、飲み込まれる恒星の質量と密度、飲み込まれて行く際に恒星が描く軌道、等々の要因によって、降着円盤が継続する時間は大幅に変化するのは言うまでもありません。

【参考URL】
　YOMIURI ONLINE（読売新聞） > 科学 > 星がブラックホールに…瞬間を世界で初めて観測 （8月25日 11:28）
　　http://www.yomiuri.co.jp/science/news/20110825-OYT1T00326.htm

マイコミジャーナル > エンタープライズ > サイエンス　続きを読む > JAXAなど、巨大ブラックホールに星が吸い込まれる瞬間を観測することに成功　2011/08/25
　　http://journal.mycom.co.jp/news/2011/08/25/095/index.html

atendant · Answer

ブラックホールが星を飲み込むことについてですが、例えば話をします。ここでは地球を例に挙げ、地球に立っている人と、鮮やかな地球の青を見ている、つまり地球全体を見ている人とを二つの地点で考えます。また、ここでは、地球の重力が極端に強いものと仮定します。この場合、地球を見ている人から見ると、地球から放たれて、この人の目に入る地球上にいる人は、地球の強い重力によって、光速度が遅くなり、この人の目には、地球上にいる人の動きが遅くなります。
逆の場合は、重力によって光速度は早くなり、地球上にいる人には、早く届くため、地球を見ている人を見ると、早く動いているように見えます。よって、相対的には、重力を受けてない地球を見ている人の時間は早く進み、重力を受けている人の時間は遅く進むと考えれます。
この仮定されていない地球、つまり実際の地球でも、人口衛星についている時計は、本当にわずかに、地上の時計より、遅く秒を刻むように作られています。


ブラックホールの場合も、同じで、ブラックホールに飲み込まれている星自体を見ると、それはもう、本当にノロノロと星が飲み込まれていくでしょう。おそらく、人間が百歳生きれるとして、その星とブラックホールを眺め続けても、何世代続くでしょうか？というくらいに。もしくは、光がブラックホールに吸い込まれるため、星自体が暗くなったりするかもしれません。逆に飲み込まれている星から見ると、ブラックホールが光を吸い込んでしまうため、何も見えないまま飲み込まれるでしょう。
しかし、ブラックホールも永遠に存在する訳ではないので、星を飲み込む前に消滅するなんてことも考えられます。

atendant · Answer

ブラックホールの正体は、太陽の10倍以上も大きい星が、寿命で赤色巨星と呼ばれる膨らんで大きくなった星が、超新星爆発という、それも物凄い爆発が起き、重力の流れが、急激に星の周りから星の中心へ、ではなく、中心から外に向かって力が働く事により、その反動でブラックホールができます。よって、ブラックホールは、その大爆発を起こした星の周りに、複数存在します。

ブラックホールの大きさは、驚くほど小さく、その割には質量が驚くほど大きいので、時空の網を驚くほど歪ませます。時空の網の説明として、物質の重さと質量は全く別ものですが、ここではあえて、重さという概念を仮に使って説明すると、正方形の伸縮性のあるネット(時空の網)の四辺を水平になるように固定して、真ん中にボール(天体)を置きます。すると、重いものほど良くくぼみ、軽いものほど余りくぼみません。真ん中にボールを置いたまま、真ん中のボールより小さいボール(恒星の惑星や惑星の衛星)を置くと、小さいボールは、真ん中のボールの方に転がって行きますよね？それが重力が引き付けるという作用を起こす仕組みです。仮に、小さいボールを真ん中のボールとは直角の方向に力を加えると、真ん中ボールを中心にして回ります。これが公転です。

ここまでは、三次元の宇宙空間を題材に説明しましたが、本当の宇宙は、数えきれない程の次元があります。つまり、時空の網が、三次元の宇宙空間の時のように、平面な時空の網だけでなく、垂直な時空の網や斜めになった時空の網などが存在します。我々が平面な時空の網だと思っている時空の網は、他の垂直な時空の網が平面だと思っている人から見ると、我々の時空の網は垂直に見えますよね。このように時空の網は様々な次元の網があります。我々が平面だと思っている時空の網に天体があると、もちろん、天体の質量によって時空の網はくぼみ重力が発生します。そして、他の我々から見たら垂直な時空の網も、その垂直な時空の網が平面だと思っている人からみたら、同じように、質量によってその時空の網もくぼみが発生し重力が生じます。このように、無尽蔵に時空の網は有るので、天体の表面にほぼ等しく、重力が働きます。ちなみに時空の網は実際に見ることは出来ません。

ブラックホールについてですが、構造としては、ブラックホール自身はとても小さい究極に平べったい渦です。そして、ブラックホールの重力によって引き付けられたあらゆる物質が、ガスや塵となって円盤のように見えます。また、ブラックホールの中心から吹き出しているのもガスや塵です。ブラックホールは、中心に行くほど、高エネルギーになっていくので、温度は中心付近に近づくにつれ高くなります。そして、ブラックホールには、中心付近の辺りからは、強い放射能やγ線やエックス線なども出ています。
それらの電磁波を感知する巨大なパラボラアンテナが宇宙関連施設にあり、その施設で地球に飛んでくる電磁波の強さを察知し、膨大な電磁波が確認されるところ、つまりはブラックホールの位置を推測することができます。


ちなみに、銀河の中心は超巨大なブラックホールがあるとされていて、我々太陽系は、そのブラックホールの周りを漂うガスや塵の中にあります。

xiongqin · Answer

凄い、感性の強い人ですね。
貴方の疑問には感心しますが、私も全くの素人であり、宇宙の事はわかりませんが一言。

ブラックホールは宇宙の空間に重力が崩壊して起こった点と考えれば、貴方の言われる座布団での説明に、疑問を持つのは当然と思います。

座布団を利用しての説明は、落ち込む方に対して、抜け出る方向が有るように錯覚を起こす為、あまり良い方法とは言えませんが、他に見て説明する方法が無いためでしょう。

空間を網目を利用して説明するには、二次元で説明するほか、三次元では空間の歪を表すことができないからです。

一点に重力崩壊を起こすことは、イメージで言えば球形を成していると言えるでしょう。
　但し、周りに物質が有ったならば、その物質通しが引き合う力と、遠心する物体は当然円盤を成してきます。

従って、ビデオ又は絵に描かれたものは、中心に如何にも落ちていくように描かれていますが、実際には中心に向かって円盤を形成している全ての物質が、回転しながら消えて行くと想像したほうが良いかもしれませんね。
　その消えていく、つまり落ち込んで行く円盤の相反する面の物質が、反対の面に向かって落ち込むとき一部の物質が飲み込まれることなく走り出ることから、円盤の面垂直にジェット噴射が起こると言えるでしょう。
　そのスピードは地蔵の地平線から落ち込むスピード、光に近いスピードに加速されますから、噴射するジェットは光速の70～80％に達するものでしょう。

ブラックホールは球形であるが、周りの物質は自動的に円盤を形成するのは、非常に高速で回転を始めた場合、遠心力によって物質は平面状に広がり、円盤を形成するもので、野球のボールが回転するような状態にはなれないからです。

地球とか恒星等は回転が遅いために、真丸く中心に向かって物質が集まり、球形を成していきますが、ブラックホールの周りでは、あまりにもスピードが速いため、物質はブラックホールの周辺を均等に散らばることは有り得ないからです。

従って円盤の向き方向性は、最初に物質が吸い込まれる（存在する位置）条件で決まると言えると思います。

＞　それとも、ある程度の時間がかかるのでしょうか？　
　　　瞬時とした表現での飲み込まれると言うことは絶対にないでしょう。ビデオは証拠によって作られたものであり、状態を説明しやすくしているものでしょう。

＞　おかしいと思ったので、恥を忍んで質問させていただきました。
　　　　貴方が恥を忍んでというのであれば、私はそれ以上の恥をかかなければいけませんね。
　　　　意義ある質問と思います。

回答にはなりませんでした、悪しからず。

参考です。

isa-98 · Answer

重力場は時空の歪みそのものですが、重力自体を時空の歪みそのものだとは誰も言っていません。
＃９を見る限りでは習得するのは無理だと思います。

まず、客観性を身に付け、
いつも通り、みなが参考になるような記載を心がけてはどうでしょう？

kagakusuki · Answer

ANo.7の参考URLのページを御覧になれば解る様に、万有引力はもはやニュートン力学的な意味での力ではなく、時空連続体の歪みとして説明されています。
　又、「歪みの時間変動が波動として光速で伝播する」という事は、即ち、時空の歪みである重力の変動もまた、光速で伝播するという事になりますから、「重力を空間の歪みそのものだとする事が、重力が光速以上で伝播する」事にはなりません。
　逆に言いますと、「重力を空間の歪みそのものだと言う思い込みは重力が光速以上で伝播すると言っているのと同じ」という事は、即ち、「歪みの時間変動が光速以上で伝播すると言っているのと同じ」という事になります。

isa-98 · Answer

「アインシュタイン方程式」と「ニュートン力学」の違いは大きく分ければ３点であり、

重力は光速で伝播する。
エネルギーから重力が発生する　例　※E＝ｍｃ＾２→　GMｍ/ｒ＾２
質量を持つ物体の加速運動により重力波が放射される。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%80%E8%88%AC%E7%9B%B8%E5%AF%BE%E6%80%A7%E7%90%86%E8%AB%96

と言う物であり、
※ニュートン力学を包含可能な点に注目します。（万有引力の法則との関係）

＞マクスウェル方程式から大域的なクーロンの法則を導くことができる。

これは特に重要で、

マクスウェル方程式だけが特異な物理方程式で無い事を示唆しています。
ガリレオ座標があるからローレンツ座標が導き出せるのです。

isa-98 · Answer

この人に理性的な話が望めるかどうかが問題なのですが、
「空間の歪み」と「歪みの時間変動が波動として光速で伝播する現象」は必ずしも同一ではありません。

ウイキペディアでは

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A2%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%82%B7%E3%83%A5%E3%82%BF%E3%82%A4%E3%83%B3%E6%96%B9%E7%A8%8B%E5%BC%8F

重力の正体は時空の歪みであ～～る。
と神学で講釈しています。

これがニュートン方程式なら
質量が重力の正体であーる。と説明出来ます。

重力は

質量に比例する。
歪みと等価だ。

ただそれだけの「発見」に過ぎません。

kagakusuki · Answer

>重力を空間の歪みそのものだと言う思い込みは重力が光速以上で伝播すると言っているのと同じです。

それは、空間の歪みの変化が光速以上で伝播すると言っているのと同じであり、アインシュタインの相対性理論から大きく逸脱する考えです。

>重力は架空の力ではありませんし見かけの力ではありません。

こちらも、アインシュタインの一般相対性理論から大きく逸脱する考えです。

isa-98 · Answer

重力は架空の力ではありませんし見かけの力ではありません。

ブラックホールってなんですか？

念のために申しあげますが、ANo.3において、

ブラックホールが星を飲み込むことについてですが、例えば話をします。

凄い、感性の強い人ですね。

重力場は時空の歪みそのものですが、重力自体を時空の歪みそのものだとは誰も言っていません。

ANo.7の参考URLのページを御覧になれば解る様に、万有引力はもはやニュートン力学的な意味での力ではなく、時空連続体の歪みとして説明されています。

「アインシュタイン方程式」と「ニュートン力学」の違いは大きく分ければ３点であり、

この人に理性的な話が望めるかどうかが問題なのですが、

>重力を空間の歪みそのものだと言う思い込みは重力が光速以上で伝播すると言っているのと同じです。

重力は架空の力ではありませんし見かけの力ではありません。

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