【ブラックホール完全解説】私たちはブラックホールの中で生きている？

はじめに

ブラックホールはこの宇宙において、最も謎で奇妙で不可解な存在だと言えます。その究極の姿は、かつては理論上だけのものであると見なされ、現実世界で存在することは不可能だと考えられていました。しかし、科学技術の進歩により、ブラックホールが実在している証拠が発見され、人類の常識の範囲が拡張されるとともに、宇宙の奇妙さに人々は驚嘆しました。ブラックホールはどのように形成され、その中には何があるのか？ブラックホールの近くで時間の流れが遅くなる、その理由は？ブラックホールの中で時間と空間が逆転するというのは一体どういうことなのか？ブラックホールが宇宙の情報を保存する媒体だと言われている根拠は何なのか？我々がいるこの宇宙は、実はブラックホールである、それは本当なのか？

今回は、あらゆる面から、ブラックホールの完全解説をお届けします。宇宙の奥深さを体験したい方は、ぜひ最後までお付き合いくださいね。

ブラックホールの存在を予言

“ブラックホール”はその名前から、宇宙空間にある“黒い穴”と思われがちですが、実はブラックホールは太陽や地球などと同じく、実体を持っている“天体”です。ただし、この天体は１つの究極の状態、“とてつもなく強い引力を持っている”という状態にあります。このような天体の存在の可能性を最初に予言したのは、18世紀のジョン・ミッチェルという天文学者でした。

彼は次のような計算から、その究極の天体の理論を導きました。もしある天体が太陽と同じ密度であり、かつその直径が太陽の500倍であるなら、その天体の強い重力により、光でさえ天体から逃れることができません。したがって、光は我々の目に届かないわけですから、その天体は見ることもできない、ということです。

それから100年後、アインシュタインは相対性理論を提唱しました。非常に簡単なかいつまんだ説明になってしまいますが、この理論によると、引力の本質は空間の歪みであり、物体の質量が大きければ大きいほど、その周囲の空間の歪みが強くなります。そこにあるほかの物体は、強い力に束縛されているように見えますが、その本質は歪んだ空間がもたらした影響だ、ということです。

これらの結論は決して空想によるものではなく、アインシュタインは一連の方程式によって、数学的にも自らの理論が正しいと証明しました。後にこれらの方程式は「アインシュタイン方程式」と呼ばれるようになりました。

「アインシュタイン方程式」が発表されたわずか1か月後、ドイツ軍の将校として従軍していたカール・シュヴァルツシルトという天体物理学者は、ソ連軍との戦争の戦線の真っ只中、その方程式の1つの特殊解を発見しました。この特殊解は、1つの特殊な存在について、それがまさに存在しうることを示唆しています。その存在は、密度と重力が無限大です。その存在に近づいたら、どんな物でもその強い重力に吸い込まれます。光でさえ、そこから逃れることはできません。

アインシュタイン本人はこの特殊解のことを知った時、理論上はその解が正しいと認めましたが、現実世界において、そのような特殊な存在はあり得ないと思っていました。そして数十年後の1967年、物理学者のジョン・ホイーラーはある学会でこの特殊な存在に「ブラックホール」と名付けました。それから、この名称は今日まで使用されています。

ブラックホールの発見

ブラックホールに関する理論的研究は、シュヴァルツシルトが特殊解を発見した後からずっと行われていましたが、それはあくまで理論物理学の範疇に留まっており、ブラックホールそのものは実在していないというのが一般的な考え方でした。

しかし観測技術が発達した現代に入ってから、数々の観測結果がブラックホールの実在を示唆してきました。そして2019年4月10日、EHTという数か国によって形成された国際研究チームは、地球上の数か所にある電波望遠鏡を用いて、とうとう銀河M87の中心にある巨大ブラックホールの姿を捉えることに成功しました。その後、同チームが2022年5月に、私たちが生きている天の川銀河の中心にあるブラックホールの撮影にも成功しました。

これで、ブラックホールは理論上だけではなく、現実世界においても実在していることが明らかになりました。

人々は宇宙の壮大なセンス・オブ・ワンダーを感じたとともに、人類の叡智、数学の威力にも感心しました。現代科学技術が半世紀もかけてやっと発見したものを、すでに数学は200年前に予言していたのです。やはり数学はこの世界の本質を探究するための最高のツールだと言えます。それでは次は、ブラックホールが持っている不思議な性質の数々を見ていきましょう。その中の一部の性質は、強烈なSF話よりも信じ難い内容になっていますので、ぜひ期待してくださいね。

ブラックホールの誕生

まず、ブラックホールがどのようにして誕生したのかについてですが、普通のブラックホールは、大質量の恒星が死んだ後、その「残骸」から生まれることがあります。恒星が寿命の最期の段階において、「超新星爆発」という大きな爆発を起こします。爆発は恒星の外層部分にあるほとんどの物質を宇宙空間に飛ばしますが、残った核心部分の物質は、恒星自身の重力によって収縮します。とてつもない量の物質がとてつもない小さい空間に収縮した結果、１つのとてつもない高密度かつ強い引力を持つ“点”が誕生します。その“点”はブラックホールの中心となり、物理学では“特異点”と名付けられています。

真実の目

また、中性子星の合体も、ブラックホールを誕生させます。機会があれば、「中性子星」という不思議な存在についても語りたいと思います。

さてブラックホールの話に戻りますが、ブラックホールはどれほどの高密度を誇るのかというと、地球を半径9mmのサイズのボールに圧縮すれば、そのボールの密度はブラックホールの密度と同程度になります。つまり、その小さいボールが1つのブラックホールになっています。

半径は9mmしかないとは言え、その“ボール”の重力は地球と同じなので、月は現在の位置のままでその“ボール”の周りを回ります。仮に、遠く離れた場所から宇宙望遠鏡で月を観察すれば、月は一点の目に見えないものの周囲を回っているように見えるでしょう。

ただ、前言を撤回するようなことを言ってしまいますが、先ほど「目に見えない」と言ったものの、実は、ブラックホールは目に見えるのです。そうでないと、EHTもブラックホールを写真に収めることができません。ただし、この写真の中で光っている部分は、ブラックホール自身ではなく、ブラックホール本体の周囲を回っている他の物質です。これらの物質はブラックホールの強い引力によって、その周囲を高速で回っており、摩擦によって高熱を放ちます。これらの熱によって、物質はプラズマになり、光るようになります。

空間の強い歪み

映画などでブラックホールのシーンになると、このような光景が映っているのも、ただの想像ではなく、ちゃんとした計算によるシミュレーションの結果です。ブラックホールはその周辺の空間を強く歪めることができ、光がその空間を通る時、本来のフラットな空間における直線の進行方向は、歪んだ空間における歪んだ進行方向となります。したがって、ブラックホールの正面においても、その背後にある物の光を見ることができます。その結果、このような奇妙な景色が目に映ることになります。

ホーキング放射

そして、宇宙望遠鏡で撮った写真には、時々このような光景が見られます。これは「重力レンズ現象」と言い、恒星や銀河などの発した光が、途中にあるブラックホールや何らかの強大な重力によって曲げられ、その結果、私たちには変形した形に見えるようになります。

また、ブラックホールはいつまでも周囲から物質を吸い込み続け、その寿命は無限であると長い間思われていましたが、スティーブン・ホーキング博士の研究によれば、ブラックホールは物を吸い込み続けるのと並行して、それ自身の質量を少しずつ失っています。この現象は、「ホーキング放射」と言い、理論上は正しいと証明されています。つまり、ブラックホールは常に蒸発しており、長い年月が経つと、最終的には完全に蒸発して消えていきます。

真実の目

ただし、その「長い年月」というのが、宇宙の寿命よりも長いとする計算結果もあります。ここまでは一般的に知られているブラックホールの性質です。これからは、ブラックホールの内部に進入していき、さらなる不思議な現象を見ていきましょう。

ブラックホールに落ちると？

まず、どこまでブラックホールに近づいたらそれに吸い込まれるのかについてですが、分かり易くするために、ブラックホールを滝に、ブラックホールの近くにいる宇宙船を、川に浮かぶ小船に例えます。

小船に乗っている人は川の流れに任せてそのまま前に進みますが、彼が知らなかったのは、川の突き当たりには滝があることです。もしこの時に彼が滝の存在に気づいて、反対方向に向けて船を漕いだら、滝に落ちることを避けられますが、気づかないまま川の突き当たりという境界線を越えてしまうと、いくら船を漕いでも、船が滝に落ちることはもう避けられません。

ブラックホールもこれと同じように、宇宙船はブラックホールの近くにいたとしても、ある境界線を越えていなければ、反対方向に向けて飛ぶことでブラックホールの重力から逃れることができますが、その境界線を越えてしまうと、ブラックホールに落ちてしまいます。この時、たとえ光速のスピードを出せたとしても、ブラックホールから逃れることはできません。

この「境界線」というのは、ブラックホールと外の世界の境界線のことで、物理学ではそれを「事象の地平面」と呼んでいます。後でこの名前はまた出てくるので、皆さんはこの名前を少しだけ頭の隅に置いておいてください。では次は、ブラックホールに落ちた船が、あるいはそれに乗っていた彼がどのようなことを体験するのかを見ていきましょう。

時間の歪み

ブラックホールに落ちたものは素粒子レベルにまで崩壊すると考えられています。ですので、彼は「事象の地平面」を超えた瞬間、もしくはその前から、既に粉々になっているはずです。

ただし、もし意識を保ったままブラックホールに落ちることができるなら、様々な不思議なことが体験できると推測されています。まず、落ちたブラックホールの質量にもよりますが、ブラックホールの中ではたったの5分間しか経っていないのに、外の世界は既に1万年も過ぎたということがあり得るのです。

映画インターステラーでは、主人公たちはブラックホールの近くにある惑星を数時間探索しました。ここのシーンの音声をよく聞いてみると、時計のカチカチ音が聞こえます。この音は1秒間に1回鳴っていますが、クリストファー・ノーラン監督がこのカチカチ音で伝えたいのは、この惑星の1秒間は、地球の丸1日に相当するということだそうです。主人公たちはわずか数時間しかこの星に滞在していなかったのに、遠く離れた場所にある宇宙船に戻ったら、中年であったはずの仲間はもう年寄りになってしまいました。

なぜこのような現象が起きたのでしょうか？

先ほどもお話しましたが、ブラックホールの周辺の空間は、歪んだ状態にあります。実は、歪んでいるのは空間だけではなく、時間も歪んでいるのです。重力の強い場所であればあるほど、時間の流れる速度が遅くなっていきます。

この現象が起きている理由を一言で言えば、アインシュタインの相対性理論が提唱したように、時間と空間は根本的に同じものであるからです。空間が歪んだのなら、時間も同じく歪んでしまいます。とても不思議で、直感的には理解し難いことですが、時間の本質についての動画や投稿で詳しく語っていますので、もっと深く知りたい方はチェックしてみてください。

ブラックホールの話に戻りますが、その人がブラックホールの中から見ると、外の世界は早送りのように、時間の進むスピードが非常に速くなります。同様に、外から見れば、ブラックホールに落ちているその人は、止まっているように見えます。なぜなら、ブラックホールの中の時間は外よりだいぶ遅いからです。

ただし、奇妙なことはまだこれだけではありません。その人がブラックホールの中心付近まで落ちると、さらに不思議なことが起こります。ここで、時間と空間が逆転するのです。ブラックホールの内部で「時間と空間が逆転する」という結論は、数学上の計算によって得られた結果です。この動画では具体的な計算過程を省きますが、時間と空間が逆転したブラックホールの内部ではどのようになっているのかを今から見ていきましょう。

時間と空間の逆転

まず、「時間と空間が逆転する」というのはどういうことなのかを説明しましょう。私たちは空間において、上下、左右、前後という3つの方向を自由に移動することができますよね。その一方で、時間について考えると、私たちは「過去から未来へ」という1つの方向にしか移動することができません。

しかし、「時間と空間が逆転した」ブラックホールの内部では、時間は空間の性質を持つようになり、空間は時間の性質を持つようになります。つまり、ブラックホール内部の空間は、境界線である「事象の地平面」から中心の「特異点」へ、という１つの方向しか持たなくなります。ブラックホールに落ちた人は、外の世界にいた時のように、空間における移動の自由を失い、ブラックホールの中心に向けて落ちていくのみとなります。

それに対して、ブラックホール内部の時間は空間の性質を持っているので、その人は、彼より1年あとにブラックホールに落ちたものを目にすることも可能ですし、ブラックホールの中の自分の未来の姿を目にすることさえ可能になります。既に十分に驚くべきことが起きていますが、ブラックホールの不思議はまだまだ続きます。

ブラックホールは情報を保存できる

先ほどもお話しましたが、人が本当にブラックホールに落ちたら、素粒子レベルにまで崩壊します。これで彼はこの世から消えたかのように思われますが、理論物理学者たちの研究によると、ブラックホールに落ちた彼は、また別の形でこの世界に存在しているのかもしれないと言うのです。

その「別の形」というのは、すなわち「情報」です。どういうことかと言うと、それぞれの物は、異なる色、大きさ、成分など、その物だけの固有の性質を持っています。これらの性質は根本的には、分子や原子の種類と配列で決定されています。さらに深く考えてみると、分子や原子の種類と配列は、「情報」こそがその本質と言えます。

物理学の一般的な認識としては、物質に含まれているこれらの情報は消失しません。なぜなら、仮に物それ自体が消滅したとしても、高度な記録技術と復元技術さえあれば、その物に含まれていた情報を復元することができるからです。理論物理学者のヘーラルト・トホーフトの研究によると、何でも吸い込んでしまうブラックホールでさえ、物質に含まれている情報を消すことはできません。物がブラックホールの中で崩壊した後、その物に含まれている情報は、ブラックホールの二次元の表面である「事象の地平面」に保存される、とトホーフト教授は考えています。

言い換えれば、ブラックホールに落ちた物は、「事象の地平面」に投影されたということになります。ですので、ブラックホールに落ちた人の持っていた全ての情報がブラックホールの表面に投影されているのなら、彼は事実上、情報として生き続けているのではないかという発想ができます。さらにその想像を飛躍させれば、同じようなことがこの宇宙全体にも起きている可能性が考えられます。

つまり、この宇宙に存在している全ての物に含まれる情報が、宇宙の境界線である「宇宙の地平面」に投影されているということです。これについては、「アカシックレコード」についての動画や投稿で詳しく紹介していますので、気になる方はチェックしてみてください。

最後に

では、もしこの説が正しいのであれば、私たちが生きているこの宇宙は、本当は1つのブラックホールではないのか、という推測が出てきます。理論物理学者のR. K. Pathriaは、この仮説を最初に提唱した1人です。

彼によると、この宇宙とブラックホールには、実は多くの類似性があります。まず、我々が把握している物理法則は、この宇宙のほぼ全ての場所で適用できますが、ある特定の2か所では、全ての物理法則がまったくもって通用しなくなります。その2か所と言うのは、ブラックホールの中心と、この宇宙を誕生させたビッグバンの始まりとなるものです。このこともあって、ブラックホールの中心も、ビッグバンの始まりとなるものも、同じく「特異点」と名付けられています。

そして、ブラックホールは「事象の地平面」という境界線を持っており、その境界線は、ブラックホールの外側と内側を2つの世界に分けました。外側からはどういった手段によってもブラックホールの内側を覗くことはできませんし、ブラックホールの中からその境界線の外へ行くこともできません。つまり、ブラックホールの中は、1つの独立した世界となっています。

それと似たように、宇宙にも、先ほどの話にある「宇宙の地平面」という境界線があります。その境界線を越えたらこの宇宙から出ることになりますが、現段階では、どういった手段によっても、「宇宙の地平面」にたどり着くことはできないと考えられています。つまり我々の宇宙も、外の世界から独立しています。

そして、もし宇宙が本当にブラックホールであるのなら、このブラックホールの半径はどれほどあるのかを研究者たちが計算したところ、驚いたことに、その値は観測可能な宇宙の「ハッブル半径」と一致していました。これだけでも、この宇宙がブラックホールであると断言している研究者もいますが、ただの偶然であるという反対意見を持つ研究者も多数います。

皆さんの中には、もしこの宇宙がブラックホールであれば、全ての物はその中心に落ちていくのではないかという疑問を持った人もいるかもしれません。確かに私たちは「空間」においては、宇宙の中心に向けて落ちてはいません。ただし、「時間」においては、私たちはずっと「未来」という方向に落ちているのではありませんか？

先ほどもお話しましたが、ブラックホールの内部では、時間と空間は逆転します。私たちが時間においてずっと「未来」という方向へ向けて落ちているということは、私たちより1つ上の宇宙、つまり私たちがいるこのブラックホールを形成した宇宙では、時間と空間の性質は私たちのこの宇宙と逆になっていると推測できます。つまり１つ上の宇宙では、空間的には全ての物が宇宙の中心に向けて落ちていきますが、時間に対しては過去と未来という2つの方向を自由に行き来できます。その宇宙の中で、我々の宇宙という“ブラックホール”が形成され、その中で時間と空間が逆転したために、私たちが現在体験している時間と空間が生まれたと考えることができます。

もちろん、「宇宙はブラックホールである」というのは、現段階ではまだ1つの仮説にしかすぎません。このような仮説を提唱した物理学者の本当の狙いは、ブラックホールに潜んでいる謎を解明することです。いずれ、この宇宙に存在するもっとも不思議な存在であるブラックホールの全てが分かった時には、この宇宙の謎もだいぶ解けてきているのではないでしょうか。それでは、今日もご視聴ありがとうございました。