第24章ブラックホールと曲がった時空Black Holes and Curved Spacetime

Because X-rays are such important tracers of black holes that are having some of their stellar companions for lunch, the search for black holes had to await the launch of sophisticated X-ray telescopes into space. These instruments must have the resolution to locate the X-ray sources accurately and thereby enable us to match them to the positions of binary star systems.

伴星の一部を昼食にしているブラックホールを探すには、X線が非常に重要な手がかりになる。そのため、ブラックホール探しは、高性能のX線望遠鏡が宇宙へ打ち上げられるのを待たなければならなかった。これらの装置には、X線源の位置を正確に特定し、それを連星系の位置と対応づけられるだけの分解能が必要である。

The first black hole binary system to be discovered is called Cygnus X-1 (see Figure 24.1). The visible star in this binary system is spectral type O. Measurements of the Doppler shifts of the O star’s spectral lines show that it has an unseen companion. The X-rays flickering from it strongly indicate that the companion is a small collapsed object. The mass of the invisible collapsed companion is about 21 times that of the Sun. The companion is therefore too massive to be either a white dwarf or a neutron star.

最初に発見されたブラックホールを含む連星系は、はくちょう座X-1と呼ばれる（図24.1）。この連星系の見える星は、スペクトル型がO型である。O型星のスペクトル線のドップラー偏移を測ると、見えない伴星を持つことがわかる。そこから来るX線が細かく明滅することは、伴星が小さな、崩壊した天体であることを強く示している。見えない崩壊した伴星の質量は、太陽の約21倍である。したがって、白色矮星や中性子星にしては質量が大きすぎる。

A number of other binary systems also meet all the conditions for containing a black hole. Table 24.1 lists the characteristics of some of the best examples.

ほかにも、ブラックホールを含むための条件をすべて満たす連星系がいくつもある。表24.1に、とくに有力な例のいくつかについて、その特徴をまとめる。

After an isolated star, or even one in a binary star system, becomes a black hole, it probably won’t be able to grow much larger. Out in the suburban regions of the Milky Way Galaxy where we live (see The Milky Way Galaxy), stars and star systems are much too far apart for other stars to provide “food” to a hungry black hole. After all, material must approach very close to the event horizon before the gravity is any different from that of the star before it became the black hole.

孤立した恒星がブラックホールになっても、その後それほど大きくは成長できないだろう。連星系の一員だった場合でさえ、同じである。私たちが暮らす天の川銀河の郊外のような領域（「天の川銀河」参照）では、恒星や恒星系どうしがあまりに遠く離れているため、ほかの星が空腹のブラックホールに「食べ物」を与えることは難しい。なにしろ、ブラックホールになる前の星の重力と違いが出るには、物質は事象の地平面のごく近くまで近づかなければならないのである。

But, as we will see, the central regions of galaxies are quite different from their outer parts. Here, stars and raw material can be quite crowded together, and they can interact much more frequently with each other. Therefore, black holes in the centers of galaxies may have a much better opportunity to find mass close enough to their event horizons to pull in. Black holes are not particular about what they “eat”: they are happy to consume other stars, asteroids, gas, dust, and even other black holes. (If two black holes merge, you just get a black hole with more mass and a larger event horizon.)

しかし、これから見るように、銀河の中心部は外側の部分とは大きく異なる。中心部では、恒星や星の材料となる物質がかなり密集し、互いにずっと頻繁に相互作用できる。そのため、銀河中心のブラックホールは、事象の地平面に十分近く、引き込める質量を見つける機会にはるかに恵まれている可能性がある。ブラックホールは「食べ物」にうるさくない。ほかの恒星、小惑星、ガス、塵、さらには別のブラックホールまで、喜んで取り込む。二つのブラックホールが合体すれば、より大きな質量と、より大きな事象の地平面を持つブラックホールになるだけである。

As a result, black holes in crowded regions can grow, eventually swallowing thousands or even millions of times the mass of the Sun. Ground-based observations have provided compelling evidence that there is a black hole in the center of our own Galaxy with a mass of about 4 million times the mass of the Sun (we’ll discuss this further in the chapter on The Milky Way Galaxy). Observations with the Hubble Space Telescope have shown dramatic evidence for the existence of black holes in the centers of many other galaxies. These black holes can contain more than a billion solar masses. The feeding frenzy of such supermassive black holes may be responsible for some of the most energetic phenomena in the universe (see Active Galaxies, Quasars, and Supermassive Black Holes). And evidence from more recent X-ray observations is also starting to indicate the existence of “middle-weight” black holes, whose masses are dozens to thousands of times the mass of the Sun. The crowded inner regions of the globular clusters we described in Stars from Adolescence to Old Age may be just the right breeding grounds for such intermediate-mass black holes.

その結果、密集した領域のブラックホールは成長でき、やがて太陽の何千倍、さらには何百万倍もの質量を飲み込むことがある。地上からの観測は、私たちの銀河の中心に、太陽の約400万倍の質量を持つブラックホールがあるという有力な証拠を示している。この点は「天の川銀河」の章で詳しく扱う。ハッブル宇宙望遠鏡の観測は、多くの別の銀河の中心にもブラックホールがあるという、目覚ましい証拠を示してきた。それらのブラックホールは、10億太陽質量を超えることもある。このような超大質量ブラックホールが猛烈に物質を取り込むことが、宇宙で最も高エネルギーの現象のいくつかを生む原因かもしれない（「活動銀河・クエーサー・超大質量ブラックホール」参照）。さらに、新しいX線観測の証拠は、太陽の数十倍から数千倍の質量を持つ「中量級」のブラックホールの存在も示し始めている。「恒星の青年期から老年期まで」で述べた球状星団の密集した内側の領域は、このような中間質量ブラックホールの形成に、ちょうど適した場所かもしれない。

Over the past decades, many observations, especially with the Hubble Space Telescope and with X-ray satellites, have been made that can be explained only if black holes really do exist. Furthermore, the observational tests of Einstein’s general theory of relativity have convinced even the most skeptical scientists that his picture of warped or curved spacetime is indeed our best description of the effects of gravity near these black holes.

過去数十年にわたり、とくにハッブル宇宙望遠鏡やX線衛星によって、ブラックホールが本当に存在するとしなければ説明できない観測が数多く行われてきた。さらに、一般相対性理論を観測で検証した結果、最も懐疑的な科学者たちさえ、ブラックホール付近の重力の効果を記述するには、アインシュタインのゆがんだ、あるいは曲がった時空という描像が、やはり最も優れていると納得するようになった。