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1.ブラックホールはなぜその強い重力にも関わらず外から見て体積があるのですか?ブラックホールの収縮を防いでいる斥力はなんですか?
2.一般相対性理論によると重力が増すと空間が歪み、時間が遅れ、質量が増加するそうです。ブラックホールには特異点が実在するかわかりませんが空間の曲率が無限大もしくはそれに近いところはあると思います。ではブラックホール同士の衝突では限りなく時間が遅れ質量が無限大近い物体同士が高速回転をして衝突するということでしょうか? それだけ質量が大きいものが高速まで加速されるのがピンと来ないです
3.ホーキング放射についてです。ホーキング放射は事象の地平面付近の真空の仮想粒子のペアによっておこるそうです。説明によると一方のペアがブラックホールにしずみもう一方はブラックホールの外に向かって飛び出すそうです。しかし仮想粒子の速度が光速付近でないとブラックホールから抜け出せず生成された粒子と反粒子ともにブラックホールにしずむような気がします。どうして一方だけ抜け出せるのでしょうか?
またこのときの粒子は具体的にはなにになるのでしょうか?
4.3に関連してですが仮想粒子は身の回りで何に対してどのくらいの速度をもった状態で生成されるのですか?例えば光子とその反粒子の光子ですとそのペアが消滅する前に光速で離れていく気がします。ほかの反粒子などと反応してるのでしょうか?
長くなりましたが詳しい方教えてください。よろしくお願いします

質問者からの補足コメント

  • ありがとうございます もし斥力がなく本当に無限小になるのであればシュワルツシルト半径だって無限になる気がしますかどうでしょうか?

    No.3の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時:2020/10/21 13:32
  • シュワルツシルト半径の意味でした しかし核の体積0もありえないです

    No.4の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時:2020/10/21 13:34

A 回答 (5件)

回答しようと思って忘れていました。

直接な回答でもないですが、理解の助けになれば。

ブラックホールは、恒星の残骸ですが、ブラックホールと言った場合その残骸そのものを指すのではなく、シュワルツシルト半径の光さえ出てこない”空間”を指すと思ってください。なので核である残骸が無限小につぶれようとも、ブラックなブラックホールは一定の大きさを持ちます。

このブラックホール(以下BH)、どこにあるのかという話になると良く間違われます。例えば1光年先に恒星があって、その恒星の手前にBHがあるとします。奥の恒星まで1光年で、その手前にあるので、BHは0.5光年とかそれくらいだと思ってしまうのですが、それはガリレオ的な宇宙観にしばられているからで、実際には数万光年先に(もし10憶年前に出来たBHなら約10億光年先に)あります。よく宇宙を平面にしてBHが下につきぬけてやぶれているような絵を見ることがあるとおもいますが、あの長さは実際の空間の長さを表していると思って良いです。
なのでBHに落ち始めると、加速度的に速くなっていきます。そして速くなると時間のすすみがゆっくりになります。これを先ほどのガリレオ的な宇宙観で勘違いしてしまうと、1光年の手前のBHに落ちて時間が止まる、すぐそこにある? と勘違いしてしまいます。実際のBHは数万光年先にあるので、非常に光速に近い速度で落ち続けているわけです。10年前にBHに落ち始めたものは、約10光年先をほぼ光速でBHに落ち続けているわけですね。それで(もし見えれば)時間が止まってるようにみえるでしょうが、距離は10光年先の微小すぎる点なわけです。また良くある話で、BHに落ちる物質はいつまで経ってもBHにたどり着けないというのもあります。それらも同様の話です。
最近ではBH同士の融合(衝突)などの話もよく出てきますが、これも核は近づけないけど、シュワルツシルト半径のブラックな部分は1まとまりのものになる、みたいな感じですね。

話はかわって、BHは恒星の残骸(最初は)ですが、これは恒星だったときのほうが”総重量”は大きいことを意味します。太陽の何十倍だかの恒星が超新星爆発で、その半数以上の物質を周りに飛び散らせた”残り”の残骸がBHになるので、イメージとは逆にBHの核は赤色巨星より”軽い”ものだったりします。
銀河中心には超巨大BHがあるようですが、このようなものになるとシュワルツシルト半径も太陽系くらいの大きさになるらしく、そうなると事情の地平面の曲率もかなり緩いものになるようです。

BHの蒸発は、なぜ反物質だけBH側に落ちるのかというと、そういうケースのときのみを考えているから、というだけのことです。物質だけがBHに落ちることも考えると半々だからトータルで0になるんじゃないかとか思うところですが、ゆらぎの対生成の粒子にエネルギーをあたえているのがBHであるならば、どちらが出てきてもエネルギーの放出(ホーキング放射)になる、という感じのようです。
ちなみにホーキング放射は非常に弱く、BHのまわりに通常物質が無くなり、さらに10の後ろに0が数十万個ついた年数が経ったころに、ようやく蒸発するんじゃないかとも言われています(100憶年は0がたったの11個しか付いていない年数であることに注意)。
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補足にあった質問ですが、シュワルツシルト半径は質量だけで決まるので無限にはなりません。

それからブラックホールの本体(と言う表現が適切かどうか疑問ですが)は密度無限大なので、本体の体積はゼロと考えて差し支えないと思います。


(普通に考えれば体積ゼロはあり得ませんが、それが特異点と言う事だと思います)
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>体積があるのです


この認識自体が?。
この回答への補足あり
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1ですが、どうやら質問者様は地球のような形ある天体の周囲が摩訶不思議な空間になっているのがブラックホールと言う風にイメージされているようですが、それ自体が根本的に間違っています。

「ブラックホールの収縮を防いでいる斥力」などと言うものは存在しません。そもそも収縮が防げなかったからブラックホールになったわけです。
この回答への補足あり
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ブラックホールに確たる領域はない。
あるのは「特異点」と「事象の地平線」だけである。
事象の地平線が無限遠から見たブラックホールの大きさを決めるが、しかし事象の地平線は「その領域から光がこちらに向かってこない」という領域であり、地球の地表のような不連続面ではない。
現に計算上、ブラックホールに近づくにつれ事象の地平線は縮小し、最後には特異点と同一になる。
ブラックホールに落ち込む物体は永遠に「事象の地平線を通過」という瞬間を味わうことなく特異点に衝突する。
そして特異点とはブラックホールの全ての質量が集中している点である。
これによりブラックホールの質量が決まり、そこから導かれる物理量も決まる。
中性子の縮退圧が破れたあと物質やエネルギーを押しとどめる力は現在発見されておらず、このため特異点では物質やエネルギーは永遠に収縮していると考えられる。
つまり数学的な点となる。


相対論的に時間が遅れるとは、あくまで別の系から見た現象である。
相対論を論じる場合「絶対時間」「絶対空間」に準拠してはいけない。
この場合の別の系とはブラックホールの無限遠である。
たしかに無限遠から見た場合、ブラックホールに落ちてゆく宇宙船は次第に動きを遅くし、事象の地平線上でついに動きを止める。
しかしこれは、事象の地平線上では時空が特異点に向かって落ち込む速度と光が脱出しようとする速度がイコールになることによる、見かけ上の問題である。(見かけ上と言っても、無限遠の系から見ればこれは確たる事実である)
ブラックホール系から見れは宇宙船は変わらず接近し、ついに特異点に衝突する。
残念ながら宇宙線の乗組員は永遠のときを生きられず、特異点に将とっした時点で終焉を迎える。(もっともそのはるか以前で潮汐力によりスパゲティよりも細く長く引き伸ばされる)
よって、ブラックホール同士の衝突も、ブラックホール系から見れば当たり前の時間、当たり前の曲率の下で行われる。


粒子は特定されていない。
あと、地平線上で生成した粒子の全てが光速度を持っているわけでもない。
夥しく生まれる粒子対のどれかがそうなっている、ということである。
しかしその割合がたとえ一兆分のいちのそのまた一兆分の一だったとしても、それがブラックホールから質量とエネルギーを持ち去ることは確かである。
対生成の数と夥しい時間、その二つがそろえば変化は有意になる。
そして宇宙にはその二つのどちらもそろっている。


3で答えたが、
一般に統計力学では、多数の粒子からなる系がある場合、個々の粒子の物理状態は正規分布を取る。
東大に入るには偏差値80はないと話にならないが、それと同じことである。
他の粒子に比べて群を抜いて高いエネルギーを持つ粒子だけが光速に達し、その中で移動軸がブラックホールの中心方向を向いていてかつ他の粒子と衝突しない、そういう粒子がブラックホールから脱出する。
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この回答へのお礼

丁寧かつ専門的でわかりやすい解答ありがとうございました。物理専攻ではないのですがブラックホールについて最近考えその疑問を解決することができました。ブラックホール系の時間は地球の系から想像するとすさまじいものだったり、仮想粒子が特定されてないのど驚くことばかりです。まだまだ謎だらけで特異点など不思議なものばかりですが、今世紀中に量子重力論や超弦理論の発展でその内部構造の説明を聞けることを期待するばかりです。ありがとうございました。

お礼日時:2020/10/21 13:45

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