時空に曲げられる光

重力は時空のかたち

物が落ちるのは、空間と時間が曲がっているからです。

ニュートンは重力を、質量どうしが引き合う「力」として説明しました。1915年、アインシュタインはこの力を幾何学に置き換えます。質量とエネルギーは、空間と時間が織りなす4次元の布地「時空」を曲げます。そして惑星から光まで、あらゆるものがその中を、できるかぎりまっすぐな道筋に沿って進むのです。地球が太陽のまわりを回るのは、何かに引っぱられているからではありません。太陽のまわりの曲がった時空では、地球にとっていちばんまっすぐな道筋が閉じて、軌道になるからです。

時間もこの布地の一部です。質量に近い時計ほど、ゆっくり時を刻みます。その効果はわずかですが、確かに存在します。地球の質量から離れたGPS衛星の時計は、地上の時計より1日に約45マイクロ秒進みます。一方、衛星自身の軌道速度によって7マイクロ秒遅れます。この差を無視すると、位置は1日に約10キロメートルずつずれていってしまいます。

ブラックホールの誕生

巨大な星が燃料を使い果たすと、重力が勝利します。

星は、力のつり合いの上に成り立っています。重力はガスを内側へ引き込み、中心核で起こる核融合の熱がそれを押し返します。燃料が尽きると、このつり合いが崩れます。太陽のような星は縮んで白色矮星になり、それ以上押し縮められまいとする電子の力によって支えられます。

太陽の約8倍より重い星は、超新星爆発で一生を終えます。鉄でできた中心核が、1秒足らずで崩壊するのです。たいていの場合、中心核は中性子星になります。しかし、残ったものの質量が太陽の約2〜3倍を超えると（太陽の約20倍以上の星ではそうなりやすいのですが）、中性子でさえ支えきれず、自らのシュワルツシルト半径の内側へと落ち込みます。こうして恒星ブラックホールが誕生します。その質量は、たいてい太陽の5〜50倍です。

大きな銀河の中心には、太陽の数百万〜数十億倍も重い、超大質量ブラックホールもあります。私たちの天の川銀河にあるいて座A*の質量は、太陽の約430万倍。天文学者たちは30年以上にわたって、そのまわりを回る星々を追いかけ、この質量を量りました。こんな巨大なブラックホールが、宇宙の歴史のこれほど早い時期に、どうやってここまで大きく育ったのか。それはいまも謎のままです。

光子球とシャドウ

光はブラックホールのまわりを周回できます。その結果、空に穴があくのです。

シュワルツシルト半径の1.5倍の距離では、重力が光を円く曲げます。これが光子球です。この軌道は、先端で立てた鉛筆のように不安定です。ほんのわずかにつつかれただけで、光はらせんを描いて落ち込むか、遠くへ飛び去ってしまいます。もしそこに立つことができたら、自分の後頭部が見えるでしょう。

遠くからやってくる光のうち、中心からある臨界距離より内側をねらって進む光は、光子球の下へもぐり込み、のみ込まれてしまいます。外から見ると、そうして失われた光線が集まって、暗い円盤をつくります。これがブラックホールのシャドウです。重力によって拡大されるため、シャドウの幅は地平面そのものの約2.6倍になります。ぎりぎりでのみ込まれずにすんだ光は、通り過ぎる途中でブラックホールのまわりを回り、シャドウの縁に細く明るいリングとなって積み重なります。

2019年、地球規模に広がる電波望遠鏡のネットワーク、イベント・ホライズン・テレスコープが、5500万光年かなたにあるブラックホールM87*のシャドウを撮影しました。2022年には、いて座A*でも同じことをなしとげています。地球から見たそのリングの大きさは、月面に置いたドーナツと同じくらいです。

円盤が上に回り込んで見えるわけ

『インターステラー』でおなじみのあの姿は、重力がレンズとしてはたらいた結果です。

重力がなければ、球のまわりの円盤を横から見ると平たい楕円に見え、奥側の半分は球に隠れてしまいます。ブラックホールは、その奥側の半分から私たちへ届く光を曲げます。奥の円盤の上面を出た光は、シャドウの上を越えるように曲げられ、下面からの光はシャドウの下側へ曲げられます。そのため私たちには、円盤の奥側が2回見えるのです。上にかかるアーチとして、そして下側の、より細いアーチとして。

円盤そのものは少しも曲がっていません。平たく薄いままです。曲がっているのは光だけです。視点を変えると、見え方も変わります。真上から見ると、円盤の奥側はシャドウのまわりをぐるりと囲むリングになります。

スピン

現実のブラックホールは回転していて、まわりの時空を引きずっています。

星は自転しています。崩壊する中心核は、腕を縮めたフィギュアスケーターのように回転を速め、ブラックホールはその回転を受け継ぎます。1963年、ロイ・カーは、回転するブラックホールを表す厳密解を発見しました。『インターステラー』のブラックホールも、このシミュレーションのブラックホールも、まさにこの種類の回転するブラックホールです。

回転するブラックホールは、まわりの空間を一緒に引きずって回します。これを慣性系の引きずりといいます。ブラックホールに近いところでは引きずりがとても強く、何ものも静止していられません。エルゴ球の中では、全力で噴射するロケットでさえ、回転と一緒に運ばれてしまいます。地平面は小さくなり、回転と同じ向きに周回するガスは、落ち込む前にずっと近くまで回れるようになります。そのため円盤はより内側まで届き、より熱く輝きます。

スピンはシャドウも変えます。こちらへ向かって回転している側を通る光は後押しされて、より近くまで寄ることができます。一方、反対側を通る光は押し戻されます。スピンが大きいと、シャドウの片側の縁が平らになり、シャドウ全体が横にずれます。

ブラックホールは永遠に存在するのか

ほとんど永遠です。ただし量子力学によって、ごくかすかに光を放ちます。

1974年、スティーヴン・ホーキングは、地平面の近くで起こる量子効果によってブラックホールがかすかな熱放射を出し、少しずつ質量を失うことを示しました。ブラックホールは大きいほど冷たくなります。太陽と同じ質量のブラックホールの温度は、絶対零度よりわずか約1億分の6度高いだけ。ビッグバンの残光である2.7 Kの宇宙背景放射よりも、はるかに冷たいのです。そのため現在、知られているすべてのブラックホールは、放射するより多くのエネルギーをのみ込み、成長し続けています。

宇宙がブラックホールよりも冷えた、はるか遠い未来になって初めて、ブラックホールは縮み始めます。太陽1個分のブラックホールが蒸発するには約10⁶⁷年、最大のものでは約10¹⁰⁰年かかります。ホーキング放射はまだ観測されていませんが、重力と量子力学がどうつながるのかを解き明かすための、最も奥深い手がかりの1つであり続けています。