2012-01-14

シリーズ 超極小『素粒子』の世界12~ブラックホールって何?

Smallest_Black_Hole_1.jpg

皆さん、こんにちは :D
引き続き、電磁力・重力・そして強い力・弱い力について、追求し続けている素粒子チームです
成果品は、いましばらくお待ちください
さて、今回はブラックホールって何 についてせまりながら、重力の世界、そして宇宙誕生のヒントを探ってみたいと思います というのも、素粒子の世界を解明するためには、宇宙の始まりから考えてみないと見えてこないことがこの間の追求で見えてきているためです
では、早速、ブラックホールについて、一般的に言われてることをまとめてみます

1.ブラックホールって何?
ブラックホールとは、きわめて高密度で高質量で、きわめて強い重力のために、物質だけでなく光さえも脱出できない天体のことを言います
ブラックホールの周囲には非常に強い重力場が作られるため、ある半径より内側では脱出速度が光速を超え、光ですら外に出てくることが出来ないとされています
2.ブラックホールはどうやってできるの
普段、私たちが見ている太陽の約30倍以上もの質量の星が、死を迎える時に爆発を起こします。これを「超新星爆発」と言います。
それから、その星の中心にある核が重力崩壊を起こして、今度は逆にどんどん収縮します。そしてブラックホールが誕生します。ちなみに、質量の少ない星はブラックホールにはなりません。爆発で跡形も無くなくなるか、爆発せずに冷えて白色矮星になるか、あるいは中性子星になるか。クオーク星になるかだそうです。
例えば、地球の場合だと半径約9ミリメートルまで押しつぶす(!!)とブラックホールになると言われています
3.ブラックホール、実は観測されていません。ないんじゃない?
21世紀初頭現在、ブラック・ホールは仮説的存在であり、ブラックホール自体を直接観測することにはまだ成功していません。しかし、宇宙の特定のエリアにおいて、ブラックホールが存在すると想定すれば、理論的に予想される物質の運動に相当する宇宙ジェット(重力天体を中心として細く絞られたプラズマガスなどが一方向又は双方向に噴出する現象)や、ブラックホールに吸い込まれていく物質が出すと理論的に予想されるX線は観測されていることから、ブラックホールが実際に存在することはほぼ確実だろうと多くの科学者から見なされています。
その中心に密度、重力が無限大である特異点が存在する、と考えられています。

どうでしょうか
少しは、ブラックホールについて、イメージできましたか
もう少し、上記について、詳しく知りたいと思ってくださった皆さんは、ぜひ続きもお読みください
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ブラックホールというのはどういうものでしょう?
難しく言うと、アインシュタインの一般相対性理論の重力場の方程式に対する厳密解のひとつにシュバルツシルト解(半径)があります。このシュバルツシルト半径内にある空間の物質は強い重力場のために、内部で発生した光やシュバルツシルト半径内にある物質はそのシュバルツシルト半径よりも外に出ることができません。そこで、このシュバルツシルト半径内の空間(場、物質)をブラックホールと呼びます。例えば、星(重力場)から外へ出る時には脱出速度を計算しますが、この脱出速度が光速度になる面と考えればよいでしょう。このシュバルツシルト半径Rは質量をM、光速度をc、万有引力定数をGとする時、下の式であらわされます。
R=2GM/c2
つまり、判りやすく簡単に説明するとブラックホールは密度が大きすぎて(体積が小さくて、質量が大き い)、光さえ放出することができない星なのです。
ブラックホールはどのようにしてできるのでしょう?
星は色々変化していきます。太陽やその他、夜空に輝く星は色々な一生を終えます。特にその星の重さ(質量)によって、その一生は異なります。例えば、太陽の質量のおよそ1/10より小さい星は太陽のように自分自身で輝くことはできません。従って、太陽系の惑星のように光を反射するだけの星となりその一生を終えます。太陽の質量の1/10~4倍程度の星は太陽のように輝きますが、最終的には白色矮星と呼ばれる地球程度の直径で、太陽程度の質量をもつ水の数万倍の高密度の白色光を発する恒星として一生を終えます。しかし、太陽の質量の4~8倍の星は、超新星爆発を起こします。しかし、その後、粉々に砕け散って後にはガスだけが残り、星としては存在しなくなります。そして太陽の質量の8倍より大きな星が超新星爆発を起こしたときに、中性子星やクオーク星やブラックホールとなります。特に質量の大きな星(太陽の質量の10倍以上)が超新星爆発を起こすと、縮退圧その他いかなる圧力によっても自分自身の重力を支えることができなくなります。その為に中心に向かって無限に崩壊してしまう重力崩壊 が起こり、その結果、ブラックホールが誕生します。
このブラックホールの中心には、密度が無限大で、時空のゆがみも無限大、しかし体積がゼロの「特異点」と呼ばれる領域があります。

重力崩壊って何?
重力崩壊(じゅうりょくほうかい)は、末期の恒星が自らの重力に耐え切れずに崩壊する物理現象のことを言います。
恒星は重力によって中心部に向かって凝縮している一方で、プラズマの熱運動や電気的な反発力によって一定の大きさを保っています。それが、核融合が進むと原子量の小さい原子核が無くなることによって核融合が停止し、反発力が衰える。それによって恒星はより凝縮され、再び核融合が始まれば凝縮が止まるのです。しかし、中心部が鉄で占められるようになると(鉄の原子核は最も安定なため、これ以上の核融合は起こらない)、今度は鉄がガンマ線を吸収しヘリウムと中性子に分解される光崩壊が起こることになります。すると、星の中心部は空洞と同じ状態になり、今度は周りの物質が急激に中心へ落ち込み圧縮されます。この圧縮により中心部にコアができ、そのコアで反射した衝撃波が外部へ広がり、星が崩壊する。これが重力崩壊であり、(水素の吸収線が見られる)Ⅱ型の超新星爆発なのです。
核融合とは?
軽い核種同士が融合してより重い核種になる反応のこと。原子核同士がある程度接近すると、原子核同士が引き合う力(核力)が反発する力(クーロン力)を超え、2つの原子が融合することになります。融合のタイプによっては融合の結果放出されるエネルギー量が多いことから水素爆弾などの大量破壊兵器に用いられるそう。
光崩壊とは?
光崩壊は非常に高エネルギーのガンマ線が原子核に作用することによって原子が崩壊する過程のことを言います。高エネルギーのガンマ線は光子ともよばれ、ここから光崩壊と呼ばれるのだそう。原子がガンマ線を受けることで励起状態になることが原因であり、原子を構成する陽子や中性子を放出することで即座に崩壊する。つまり、原子の中に侵入したガンマ線によって一粒の陽子や中性子が効果的に叩きだされるのです。
この過程は本質的には軽い元素が高温で融合して重い元素を生成し、エネルギーを解放する核融合とは逆の過程をたどることになります。光崩壊は原子核が鉄より軽い時は吸熱性であり、原子核が鉄より重い時には放熱を行うのです。
重力場とは?
ゆがんだ時空中では、物体の軌跡や光線が曲がる。これは質量やエネルギーや運動量のつくる重力によって軌跡や光線が曲げられたとみなされ、時空のゆがみが重力場と解釈できます。
ちなみに、重力波とは?
一般相対性理論において予言される波動であり、時空の曲率(ゆがみ)の時間変動が波動として光速で伝播する現象である。観測はされていません。
以上、ブラックホールについて、ものすごく簡単な概略でしたが、少しはイメージができましたか
他にもクエーサーやガス円盤やガス円盤における磁場の役割などなど、おもしろそうな話もあるようですが、今日のところはこのへんで終わらせていただきます
最後に、ときどき混乱してしまう、ビッグバンについても、簡単にふれておきます :wink:
ビッグバンって何?
ビッグバン理論(ビッグバン仮説)、つまり「この宇宙には始まりがあって、爆発のように膨張して現在のようになった。」とする説
同説において想定される、宇宙の最初期の超高温度・超高密度の状態のこと。宇宙の膨張が始まった時点を指す。
素粒子チームの追求は、まだまだ続きます
ありがとうございました

List    投稿者 tateko | 2012-01-14 | Posted in ⑬相対性理論・量子力学・素粒子No Comments » 

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