一般相対性理論、のこと（５） -ブラックホールと一般相対論-

SFがお好きな方は、「脱出速度」という言葉を聞いたことがあると思います。
脱出速度とは、その天体の引力を振り切って宇宙に出てしまうためのスピードを言います。

脱出速度は、その天体の質量が大きいほど大きくなります。地球の脱出速度は秒速11.2Kmであり、地球よりも質量の大きな太陽の引力を振り切るには秒速617Kmと言うスピードが必要です。逆に地球より質量の小さい月の場合、脱出速度は秒速2.4Kmです。

さて、それでは質量がさらに大きな天体の場合、脱出速度はどうなるでしょう。ある質量に達すると、その天体の脱出速度は光のスピードを超えてしまうことが考えられます。これがニュートンの万有引力から推察出来るブラックホールです。

ですが、実際には「光速度不変の原理」があるので、このブラックホールからでも光は脱出出来てしまいます。
現実のブラックホールの場合は、その強力な重力により、空間が内側に向けて曲がっているため、どの方向に光が進んでも、結局ブラックホールの中心に向かってしまうことがわかっています。これが一般相対論から導き出されるブラックホールの姿です。

ところで、アインシュタインの発表した一般相対性理論の方程式は、まだ完全には解かれていません。ですが、限られた条件の中であれば、その答えをいくつか導くことが出来ます。
1916年。ドイツの天文学者であるシュワルツシルトが、そのうちのひとつを導き出すのに成功しました。これはもっとも単純なブラックホールを表すものとして、その後、広く知られるようになりました。

ブラックホールの周りには「事象の地平線」と呼ばれるものが出来上がります。
ブラックホールの中心から、事象の地平線までの距離（シュワルツシルト半径）は、そのブラックホールの質量によって異なりますが、どの場合も同じことは、この事象の地平線を一歩でも越えたが最後、そこからは光さえも脱出することが出来ないと言うことです。

先に、一般相対論からは「重力が強いところでは、時間の進み方がゆっくりになる」というお話をしました。
この効果によって、ブラックホールに落ち込んだものは、事象の地平線に近づくにつれて、徐々に落下スピードが落ちてきて、最後には事象の地平線で凍り付いたまま動かなくなってしまうように見えます。
ですが、これはあくまでブラックホールの外から見た場合です。実際にブラックホールに吸い込まれるものには、事象の地平線を越える前も越えた後もまったく変わりなく思えます。おそらく、いつ事象の地平線を越えたのかもわからないでしょう。ですが、もうそこからは決して逃れることができないのです。

また、ブラックホールのような極度に強い重力の元では、吸い込まれる物体に対して「潮汐力」と呼ばれる力が働きます。
物体が重力によって引かれる力は、距離の二乗に反比例します。そのため、私たちが普通に地上に立っているときも、私たちの頭が地表に引っ張られる力と、足の指が地表に引っ張られる力は、非常にわずかですが異なります（足の指を引っ張る力の方がわずかに強い）。
ブラックホールのような巨大な重力の元では、その差がさらに顕著になります。私たち人間のような物体がブラックホールに落ちるとき、足下を引っ張る力と頭を引っ張る力は、非常に大きく変わります。その結果、私たちはものすごい力で引き延ばされるようにして、ブラックホールに突入することになります。

ブラックホールについては、まだまだ不思議な現象があるのですが、ここはひとまず置いておいて、次は一般相対論の「空間のゆがみ」が起こす、もうひとつの興味深い現象「重力レンズ」についてお話ししましょう。

コメント 4

難しい・・・（kyaoさんのせいではございません）。
これからは、ブラックホールに近寄らないようにします（ゴマカシ）。
前回は、不思議＝面白いですよ。決して説明不足ではございません。
「重力レンズ」＝？？？。

猫ちゃん（プロフィール画の白い猫ちゃん？）の具合はいかがですか？。
by kaz (2005-02-26 23:04) 

kazさん、こんにちは。いつもレスをありがとうございます。
>決して説明不足ではございません
いえいえ、とんでもないです。やはりここは私めの文才不足が最大の原因かと。もっとわかりやすい文章をと心がけてはいますが…私が至らぬばかりで申し訳ないです。m(__)m
>猫の具合
お気遣いくださって、どうもありがとうございます。
ここへきて、ようやく症状は落ち着いてきたようで、猫缶のご飯は、吐瀉せずに少しずつ口にしてくれるようになりました。でも、油断はまだ出来ません。ドライフードを与え始めた途端…と言うこともありますし。今日はお医者様に行かなくて済むかしら…食事の度に不安です。
あ、ちなみにプロファイルの猫は実家の猫です。携帯で撮ったのですが、可愛かったので、これにしました（笑）。
by kyao (2005-02-27 07:58) 

＞決して逃れることができない
ブラックホールってそらおそろしい・・・＾＾；
まぁ近づくことは万に一つも無いんですけどねｗ
ブラックホールに引き伸ばされるようにして突入・・・
もし人間が入って行った場合、引き伸ばされてぺしゃんこ・・・ってことなんでしょうか・・・
by MiLD_GiNGER (2005-02-27 22:26) 

MiLD_GiNGERさん、こんにちは。いつもレスをありがとうございます。
>近づくことは万に一つも無いんですけどね
脅すつもりはないんですが（笑）、実は、もしかしたらミニ・ブラックホールが落ちたのではないかと思われるような事件がありました。
1925年。シベリアはツングースカ地方で、森林の樹木がなぎ倒されるという事件がありました。最初は隕石の落下かと思われていたのですが、落下地点には何の残留物も発見出来なかったのです。
で、当時考えられた可能性のひとつがミニ・ブラックホールだったというわけです。今では小さい彗星の核（のようなもの）が原因ではないかと考えられているようです。

>引き延ばされてぺしゃんこ
イメージとしては、うどんか蕎麦のように引き延ばされて…という感じでしょうか（うは、スプラッタ）。(^^;
by kyao (2005-02-28 08:16)