ブラックホールの謎に迫る！熱放射「ホーキング放射」は真実なのか？

・ホーキング放射とは、ブラックホールの事象の地平面付近で量子効果により自発的に放出される熱放射である。
・ブラックホールの回転エネルギーと質量を徐々に減少させるものだ。
・ホーキング放射は、あくまでも理論上のものであり、観測されたことはない。

 

1974年、スティーヴン・ホーキング【イギリスの理論物理学者、1942年～2018年】は、ブラックホールがエネルギーを使い果たして完全に蒸発するまで、素粒子を放出し続けることを示し、物理学界に衝撃を与えました。

 

それ以前は、ブラックホールは粒子も放射線も逃げられない完全な黒い物体だと一般に考えられていたのです。しかし、ホーキング博士の論文「ブラックホールによる粒子生成」（1975年発表）は、ブラックホールの研究に全く新しい視点を与えました。

 

ホーキング放射とは何か？(簡略化された説明)

ホーキング博士は、場の量子論を考慮し、ブラックホールが事象の地平線の近くで放射線を出すことを明らかにしました。いわゆるホーキング放射です。

 

ホーキング放射とは、平たく言えば、ブラックホールから自発的に放出される熱放射のことです。これは、ブラックホールの回転エネルギーと質量を徐々に減少させます。そのため、（物質を消費しない）不活性なブラックホールは縮小し、やがて消滅すると考えられます。この過程は、ブラックホール蒸発とも呼ばれています。

 

ホーキング放射の発見には賛否両論がありましたが、1970年代末には理論物理学の大きな突破口として広く受け入れられるようになりました。

 

背景を少し説明すると

1970年代初頭、ジェームズ・バーディーン【アメリカの物理学者、1939年～2022年】やホーキング博士らの研究により、ブラックホールの挙動を、面積とエントロピー、質量とエネルギー、表面重力と温度の関係で表す「ブラックホールの熱力学」が提唱されました。

 

ホーキング博士は、アインシュタインの相対性理論と量子力学から得た知見を、多くの数学を駆使して統合しました。相対性理論は、スケールが大きく質量の大きい領域（銀河や星）の重力を記述するのに対し、量子力学はスケールが小さく質量の小さい領域（分子や原子）の非重力の力に着目しています。

 

科学者たちは、この2つの主要な理論を組み合わせることで、宇宙のあらゆる物理的側面を完全に説明し、結びつけることができる「万物の理論」を何十年もかけて開発しようとしてきました。

 

この2つの理論は、ブラックホールの事象の地平面という、光さえも通さない境界で発揮されることが判明しました。

 

ホーキング博士は、場の量子論を使って、ブラックホールは黒体のように放射するはずだということを示しました。そして、私たちの宇宙の他の多くの物体と同様に、ブラックホールは収縮し、死にます。彼の計算では、回転しているブラックホールも回転していないブラックホールも放射線を出すことがわかりました。さらに彼は、この発見をちょっとしたアドバイスに変えました：

 

「ブラックホールの中にいると感じたら、あきらめないでください。出口はあるのです」 – スウェーデン、ストックホルムで行われた公開講座にて、スティーヴン・ホーキング博士。

 

ホーキング放射の仕組みとは？

その説明は、非常に奇抜です。量子力学的な理論によれば、粒子とその対となるもの（反粒子）は、宇宙全体で絶えず飛び出したり消えたりしています。

 

ブラックホールの事象の地平線の近くでは、これらの粒子と反粒子のペアも生まれ、互いにすぐに消滅します。しかし、消滅する前に一方の粒子がブラックホールに落ちてしまうこともあり、その場合、もう一方の粒子（反粒子）はホーキング放射として外に出てしまいます。

 

ブラックホール付近で発生する粒子ペアのホーキング放射

 

つまり、ホーキング放射はブラックホールそのものから直接来るのではなく、仮想粒子がブラックホールの強い重力によって「高揚」され、現実の粒子になった結果です。

 

ブラックホールに落ちた粒子は負のエネルギーを持ち、その粒子は（外部の観測者から見て）正のエネルギーを持っているはずです。このように、ブラックホールは質量を失って粒子を放出したように見えます。

 

事象の地平線の外側からのエネルギーが放射線を発生させるため、ブラックホールはそれを補うために質量を落とさなければならない。
出典：E. SIEGEL

 

この現象は、真空から（粒子と反粒子の）ペアが形成され、ペアの一方が事象の地平線の外にトンネリング【量子がエネルギーの壁を通り抜ける現象】する、量子トンネル効果とも言えます。

 

ブラックホール情報パラドックス

黒体から放射される熱放射とホーキング博士が評価するブラックホール放射の決定的な違いは、前者が統計的な性質を持っていることです。

 

熱放射は放射源の情報を持っていますが、ホーキング放射はそのような情報を持っていないようです。つまり、ブラックホールの質量、電荷、角運動量にのみ依存しています。

 

では、ブラックホールに飲み込まれた物質はどうなるのでしょうか？一般相対性理論の理解では、情報は破壊されるとされています。しかし、もしそうだとしたら、量子力学の法則に反することになります。

 

このパズルが、ブラックホール情報パラドックスと呼ばれるものです。

 

2015年、ホーキング博士は、このパラドックスがどのように解決されるかという考えを発表しました。彼は、情報は実はブラックホールの内部ではなく、その境界である事象の地平線に保存されていると示唆しました。

 

情報は超訳という形で、入射粒子のホログラムとして保存されています。それはブラックホールが作り出す量子揺らぎの中で、無駄で混沌とした形ではありますが、放出されるのです。

 

ホーキング放射はゆっくりしたプロセスである

 

映画『インターステラー』で描かれたブラックホールの図解

 

ホーキング放射の温度は、ブラックホールの質量に反比例します。そのため、小さなブラックホールは大きなブラックホールよりも多くの放射線を放出し、早く消滅します。

 

計算では、太陽系1個分の質量を持つブラックホールが蒸発するのに1067年、天の川銀河の中心にある超巨大ブラックホールは1087年、さらに宇宙でもっと巨大なものは10100年かかると言われています。

 

実験的観察

2008年、NASAはフェルミ・ガンマ線宇宙望遠鏡という宇宙観測装置を打ち上げ、現在、その推定ホーキング放射から蒸発する原始マイクロブラックホールを探しています。

 

科学者たちは、欧州原子核研究機構の大型ハドロン衝突型加速器で、人工的な環境でマイクロブラックホールを実験的に発生させることができるかもしれないと考えています。もし成功すれば、ブラックホールの蒸発を観測し、重力に関する超弦理論の理論的予測のいくつかを確認できるかもしれません。

 

多くの科学者が、類似した重力の枠組みでホーキング放射を検証する興味深い方法を提示していますが、まだ観測されていません。

 

2010年、ある研究チームが、実験室でホーキング放射に近い光パルスを観測したと報告しました。しかし、その主張は未確認で疑問が残ります。