ブラックホールについて前編と後編に分けて解説します。前編では、「ブラックホールとは」と「ブラックホールの誕生」について解説します。後編では、「ブラックホールの構造」、「ホワイトホール」、「ワームホール」について解説します。
ブラックホールとは
ブラックホールとは、光さえも脱出できないほど極めて強力な重力を持つ天体のことです。その天体の中心の大きさは理論上ゼロですが、ブラックホールを形成している領域があります。たとえば、地球の重力から脱出するためには、秒速約11.2キロメートルの速さが必要です(「宇宙に飛んでいく【ロケット】についてわかりやすく解説！」を参照)。すなわち、地球以外の天体を調査する探査機を載せたロケットは、秒速約11.2キロメートル以上の速度で飛行して地球の重力から脱出します。そして、光の速さは秒速約30万キロメートルです。
この超高速をもってしても、ブラックホールの重力からは脱出することはできません。ブラックホールは、光も引き込んでしまうため、夜空に輝く星とはなりません。その姿は、真っ黒く、そこに近づく全ての物質やエネルギーを吸い込みます。また、アインシュタインの一般相対性理論によると、重力とは時空の歪みのことです。つまり、質量のある物体(天体)は周りの時空を歪めます。ちなみに、時空とは、時間(一次元)と空間(三次元)を一体的に扱う考え方(四次元)です(「【アインシュタインの相対性理論(光速度)】をわかりやすく解説！」を参照)。
そして、質量が大きくなると、重力は強くなるため、時空の曲がり具合も大きくなります。すなわち、ブラックホールでは、極めて大きな質量によって、周りの時空が曲げられて深い穴のような窪みが形成されています。その結果、ブラックホールでは、周辺に近づいた天体などが、重力という時空の窪みの中に落下するように引き込まれていきます。イメージとしては、円錐の頂点がブラックホールの底で、円錐の底辺がブラックホールの表面になります。そして、それが球状で形作られているのがブラックホールです。その球状の中心には、体積はないが、無限大の密度と重力があります。
重さと質量について簡単に解説するね！重さとは、物体が地球の重力によって引かれる力のことだよ！つまり、物体に働く重力の大きさことだよ！だから、場所によって変わるんだ！たとえば、月の重力は地球の6分の1なので、重さが60キログラムの人は、月面では10キログラムになるよ！一方、質量は、物体そのものの量のことだから、場所に関係なく変わらないんだ！
また、質量とは、物体の動きにくさや動いている物体の止めにくさの度合いのことだよ！だから、慣性の大きさのこととも言えるんだ！たとえば、無重力状態で、宇宙飛行士は、浮いている工具などを簡単に動かすことができるよね！でも、浮いている宇宙船を同じように動かすことはできないんだ！すなわち、無重力ならば、全てのものの重さがなくなるけど、宇宙船は質量が宇宙飛行士よりも大幅に大きいから、動かせないんだよ！
ブラックホールの誕生
とてつもなく巨大な恒星が自らの重力によって圧し潰れると、ブラックホールが誕生します。太陽(「【太陽】は生命の源！太陽の構造や寿命などをわかりやすく解説！」を参照)も恒星ですが、その数十倍以上も大きな恒星からブラックホールが生まれると言われています。恒星は、内部で核融合反応を起こして膨らんでいる巨大なガスの天体です。そのため、そのエネルギーによって自ら光り輝いています。恒星は、その強い重力によって水素を圧縮するため、核融合を起こします。この水素の核融合反応からエネルギーとヘリウムができます。
ヘリウムは、水素より重いため、恒星の中心に集まっていきます。やがて、水素がなくなると、ヘリウムが圧縮されて核融合を起こします。太陽の数十倍以上の大きな恒星は、酸素などのヘリウムより重い物質をつくり出す核融合反応を起こして、膨張していきますが、最終的には鉄が生成されます。鉄は核融合反応を起こさないため、恒星の膨張は止まります。そのため、鉄は、重力に引かれて、高速で中心に向かって落ちていきます。そして、恒星の中心には鉄のコアが形成されます。しかし、そのコアは、強力な重力によって圧し潰されるため、自らの重力を支えきれなくなります。
その結果、自らの重力によって内側に崩壊するという重力崩壊を起こします。コアを形成していた物質は宇宙に飛び散りますが、光さえも逃れられない極めて強い重力(無限大の重力)を持つ「特異点(ブラックホールの中心)」が残るため、ブラックホールが形成されると考えられています。そして、その重力によって、周囲には高温で高密度のガスなどの円盤ができるとともに、そこから、ガンマ線バーストというジェットが噴き出します。ガンマ線とは原子核から放出される電磁波(放射線の一種)のことです。
ブラックホールができる恒星の質量の大きさは正確には分かりません。その質量は太陽の数十倍以上と言われています。そして、銀河の中心には太陽の数十億倍の巨大なブラックホールがあると考えられています。このようなブラックホールは大きさから3つに分けることができます。1つ目は恒星質量ブラックホールです。これは、太陽の数十倍程度の質量を持つブラックホールです。2つ目は中間質量ブラックホールです。これは、太陽の数百〜数万倍程度の質量を持ちます。3つ目は超大質量ブラックホールです。これは、太陽の数十万～数十億倍程度の質量を持ちます。
先に解説したように、太陽も恒星だけど、太陽からはブラックホールはできないんだ！それは恒星の質量の大きさ(重力の強さ)に関係しているんだ！恒星は、強力な重力によって水素が核融合反応を起こしている天体なんだ！そこでは、水素の核融合反応によって重い元素のヘリウムをつくり出しているだ！そして、水素がなくなると、ヘリウムの核融合反応が起こって、炭素や酸素などのより重い元素がつくり出されるんだ！そして、最終的に恒星としては寿命が尽きて、ブラックホールなどの次の形態になるんだよ！
このような恒星の最終形態は、恒星の質量の大きさによって3つに分類されるんだよ！1つ目は、質量の大きさ(重力の強さ)が足りず、最終的に鉄をつくり出すことができない場合だよ！恒星は膨張して赤色巨星になるんだ！それから縮小して、最終的には、鉄よりも軽い元素によって形成される白色矮星(はくしょくわいせい)という青白い小さな天体になるんだよ！2つ目は、最終的に鉄をつくり出すほどの質量(重力)がある場合だよ！太陽の8～10倍以上の質量を持つ恒星は、強力な重力によって圧縮されてから、超新星爆発を起こすんだ！
これによって外層は吹き飛ばされ、その高圧で中性子のコアが形成されるんだ！だけど、その状態で止まるので、最終的には中性子星になるんだよ！3つ目は、2つ目の恒星との境目は分からないけど、太陽の数十倍以上の質量を持つ恒星の場合だよ！鉄のコアが、極めて強い重力によってさらに圧し潰されるため、重力崩壊が起こるんだ！そして、そのコアも圧し潰されて、光さえも脱出できないほど無限大の重力を持つブラックホールが誕生するんだよ！
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