ブラックホールのでき方

巨大な星の中心核が自らの内へ崩れ落ち、宇宙から閉ざされるまで

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ステップごとに

運命の決まった巨星

太陽の約20倍を超える質量の星は、一生の終わりに、とても大きく高密度な中心核をもつため、ふつうの超新星爆発がなかなか始まらないことがあります。コンピューターモデルでは、そうした星のかなりの割合がまったく爆発しないと考えられています。

この星は、2200万光年先の銀河NGC 6946にある、太陽約25個分の赤色超巨星N6946-BH1をもとにしています。星が消える現象を探して何千ものこうした星を見張っていた天文学者たちが、2009年にこの星をとらえました。

外から見ると、ほかのふくれた冷たい超巨星と変わりません。中心核がこれから何をするのか、前ぶれは何もありません。

中心核が持ちこたえられなくなる

超新星と同じように、鉄の中心核が4分の1秒で崩壊して跳ね返り、直径約30kmの中性子星ができます。衝撃波が飛び出し、そして止まってしまいます。

すべては、ふつうの超新星と同じように始まります。電子では支えきれないほど重くなった鉄の中心核が自らの内へ崩れ、原子核ほどの密度になると固くなります。生まれたばかりの中性子星はまだふくらんでいて熱く、ニュートリノを大量に放っています。

跳ね返りで生まれた衝撃波は、数百分の1秒でエネルギーを使い果たし、こうした崩壊ではいつもそうなるように、中心から約150kmのところで止まります。このあと何が起きるかで、星が爆発するかどうかが決まります。

支えきれない重さ

ここでは、ニュートリノは衝撃波を生き返らせることができません。ガスは中性子星の上に降り続け、中性子星は約1秒で太陽の1.8倍から2.3倍の質量まで重くなります。

最も高密度な中心核では、ガスがあまりに速く落ちてくるので、ニュートリノの加熱では衝撃波をもう一度外へ押し出せません。衝撃波は沈みこみ、星の内側の層が光速の半分近い速さで中性子星へなだれこみます。

中性子星を支えているのは、原子核と同じくらいぎっしり詰まった中性子の圧力です。この圧力には限界があります。知られているなかで最も重い中性子星PSR J0952-0607の質量は太陽の2.35倍で、それよりずっと重いものはないと考えられています。

10分の1秒ごとに質量が増えていきます。中性子星に残された時間はわずかです。

限界を超えて

もはや何もこれを支えられません。中性子星は約1万分の1秒で崩壊します。その中心に地平面があらわれて外へ広がり、落ちていく表面が地平面の最終的な大きさを通りすぎるちょうどそのときに、表面に追いつきます。

これは一般相対性理論が厳密に記述できる最も単純な崩壊で、1939年にロバート・オッペンハイマーとハートランド・スナイダーが計算しました。地平面は、星の物質が表面につくるものではありません。光がもう外へ出られない領域の境界であり、中心の一点から始まるのです。

表面が内側に入ってしまうと、もう星のどの部分も二度と見ることはできません。星の物質は中心へ落ち続けます。一般相対性理論は、そこに特異点、つまり今の物理法則が通用しなくなる点があると予言しています。

太陽2.3個分の中性子星では、地平面は最終的に直径約14kmになります。

凍りつき、赤くなり、消える

遠くから見ると、表面は地平面に近づくほど遅くなり、けっしてそこへたどり着かないように見えます。その光はどんどん赤く暗くなり、1000分の1秒のうちに何も見えなくなります。

地平面の近くでは、遠くから見た時間は限りなく引き伸ばされ、外へはい上がる光はエネルギーをどんどん失います。そのため遠くの観測者には、崩壊がほとんど止まり、星が地平面のすぐ外で凍りついたように見えます。けれども凍りついた星は見えません。その光は、6000万分の1秒ごとに約3分の1に暗くなっていくのです。

ブラックホールに落ちる人は、宇宙の未来のすべてが目の前を駆け抜けていくのを見る、というよく聞く話の真相はここにあります。そうはなりません。落ちていく旅人は、自分の時間ではあっという間に地平面を越え、そこで特別なものは何も見ません。越えるところを永遠に見られないのは、遠くの観測者だけです。

星が消える

中心核の残りは1時間のうちに落ちこみ、ブラックホールは太陽約10個分に育ちます。ゆるくつながっていた星の外層は、何か月もかすかに光りながら漂い去り、そのあとは何も見えなくなります。

ニュートリノがあまりに多くのエネルギーを持ち去るので、星は突然、太陽の質量の数十分の1ほど軽くなります。重力でかろうじてつなぎとめられていた外層は、引く力がゆるんだのを感じて、かすかに光りながら漂い去ります。外から見て何かが起きたとわかる、ただひとつのしるしです。

2009年に天文学者が見たのは、まさにこれでした。N6946-BH1は数か月のあいだ太陽約100万個分に輝き、それから暗くなりました。2015年には、太陽25個分の星があった場所に、ハッブルは可視光で何も見つけられませんでした。残っているのは、暖かいちりのかすかな赤外線の輝きだけです。

星がそのままブラックホールへ崩壊したことを示す、これまでで最もよい例です。ただし天文学者は、ほかの説明がありえないか、今も確かめています。

ブラックホール

黒い円はその影で、地平面の約2.5倍の幅があります。近づきすぎた光はとらえられてしまうからです。そのすぐ外側では、背後の星の光が輪のように曲げられています。影にぴったり沿った細く明るい輪は、ブラックホールのまわりを回ってから逃げ出してきた光です。

星のうち残るのは、質量、自転、そして電荷だけです。ブラックホールには表面もなく、ほかに見分けるものは何もありません。質量と自転が同じなら、2つのブラックホールはまったく同じです。

私たちの銀河には、こうしてできたブラックホールが1億個ほどあるはずです。そのほとんどは単独で暗く、見つけることはほぼ不可能です。

隣の星を食べる

近くに伴星をもつブラックホールは、そこからガスを引きはがして円盤にすることがあります。数百万度に熱せられた円盤はX線で輝きます。最初に見つかったブラックホール、はくちょう座X-1は、こうして正体を現しました。

はくちょう座X-1は、7200光年先で、太陽約41個分の青色超巨星のまわりを回る、太陽21個分のブラックホールです。そのX線は1964年に発見され、1970年代初めには伴星の軌道から、見えない相手はブラックホール以外にありえないほど重いことがわかりました。

らせんを描いて落ちこむガスは、自分自身とこすれ合って熱くなり、ブラックホールの近くでは光速のかなりの割合で動きます。こちらへ向かってくる側の円盤は遠ざかる側より明るく見え、ブラックホールの重力は円盤の奥の側を曲げて見えるようにします。

2024年、探査機ガイアは、わずか1926光年先にある太陽33個分のブラックホール、Gaia BH3を、伴星を振り回す様子から見つけました。何も食べておらず、暗いままです。

都市から巨人まで

星からできるブラックホールの質量は、太陽数個分から数十個分です。銀河の中心には巨人がいます。いて座A*は太陽400万個分、M87*は65億個分で、その地平面は私たちの惑星系よりも大きいのです。

地平面は質量に比例して大きくなります。太陽1個分につき直径約6kmです。いて座A*の地平面は直径約2500万km、M87*は約380億kmで、海王星の軌道の何倍もあります。

どんなものでも十分に小さく押し縮めればブラックホールになります。太陽なら直径6kmの球に、地球ならわずか直径18mm、ビー玉ほどの大きさに押しつぶす必要があります。

巨人たちがどうしてこれほど大きくなったのかは、まだ研究中です。ガスをのみこみ、互いに合体して育ちますが、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、ビッグバンから5億年もたたないうちに太陽数百万個分のブラックホールを見つけています。最初から大きく生まれたのかもしれません。星をつくることなく、崩れ落ちるガスの雲から。

2つのブラックホールが合体すると、空間そのものを揺さぶり、重力波を放ちます。2015年以来、地球の検出器はこうした合体を何百もとらえてきました。