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

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Collaborative Group Activitiesグループで取り組もう

1. A computer science major takes an astronomy course like the one you are taking and becomes fascinated with black holes. Later in life, he founds his own internet company and becomes very wealthy when it goes public. He sets up a foundation to support the search for black holes in our Galaxy. Your group is the allocation committee of this foundation. How would you distribute money each year to increase the chances that more black holes will be found?

   コンピューター科学を専攻する学生が、あなたと同じような天文学の授業を取り、ブラックホールに魅了された。その後、自分のインターネット企業を創業し、上場によって大富豪になった。彼は、私たちの銀河のブラックホール探しを支援する財団を設立する。あなたたちのグループは、この財団の資金配分委員会である。より多くのブラックホールが見つかる可能性を高めるために、毎年の資金をどのように配分するか。

2. Suppose for a minute that stars evolve without losing any mass at any stage of their lives. Your group is given a list of binary star systems. Each binary contains one main-sequence star and one invisible companion. The spectral types of the main-sequence stars range from spectral type O to M. Your job is to determine whether any of the invisible companions might be black holes. Which ones are worth observing? Why? (Hint: Remember that in a binary star system, the two stars form at the same time, but the pace of their evolution depends on the mass of each star.)

   ここでは仮に、恒星は一生のどの段階でも質量をまったく失わずに進化するとしよう。グループに連星系の一覧が与えられる。各連星は、主系列星1個と、見えない伴星1個からなる。主系列星のスペクトル型はO型からM型に及ぶ。課題は、見えない伴星のなかにブラックホールがありうるかを判断することである。どの系に観測する価値があるか。それはなぜか。ヒント：連星系の二つの星は同時にできるが、進化の速さは各星の質量によって決まることを思い出そう。

3. You live in the far future, and the members of your group have been convicted (falsely) of high treason. The method of execution is to send everyone into a black hole, but you get to pick which one. Since you are doomed to die, you would at least like to see what the inside of a black hole is like—even if you can’t tell anyone outside about it. Would you choose a black hole with a mass equal to that of Jupiter or one with a mass equal to that of an entire galaxy? Why? What would happen to you as you approached the event horizon in each case? (Hint: Consider the difference in force on your feet and your head as you cross over the event horizon.)

   あなたたちは遠い未来に暮らしており、グループの全員が、誤って大逆罪の有罪判決を受けた。処刑方法はブラックホールへ送り込むことだが、どのブラックホールかは選べる。死を免れないのなら、せめてブラックホールの内部がどのようなものか見たい。外にいる誰にも伝えられないとしても、である。木星と同じ質量のブラックホールと、銀河全体と同じ質量のブラックホールなら、どちらを選ぶか。それはなぜか。それぞれの場合、事象の地平面へ近づくにつれ、あなたたちに何が起きるか。ヒント：事象の地平面を越えるとき、足と頭に働く力の差を考えよう。

4. General relativity is one of the areas of modern astrophysics where we can clearly see the frontiers of human knowledge. We have begun to learn about black holes, gravitational waves, and warped spacetime recently and are humbled by how much we still don’t know. Research in this field is supported mostly by grants from government agencies. Have your group discuss what reasons there are for our tax dollars to support such “far out” (seemingly impractical) work. Can you make a list of “far out” areas of research in past centuries that later led to practical applications? What if general relativity does not have many practical applications? Do you think a small part of society’s funds should still go to exploring theories about the nature of space and time?

   一般相対性理論は、現代の天体物理学のなかでも、人間の知識の最前線がはっきり見える分野の一つである。ブラックホール、重力波、ゆがんだ時空について学び始めたのは最近であり、まだ知らないことの多さに謙虚な気持ちになる。この分野の研究は、主に政府機関の助成金で支えられている。このような一見実用性のなさそうな、現実離れした研究に税金を使う理由について、グループで話し合おう。過去数世紀に、現実離れしていると思われながら、後に実用的な応用へつながった研究分野を挙げられるか。一般相対性理論に実用的な応用があまりなかったら、どうだろうか。それでも、空間と時間の本質に関する理論の探究に、社会の資金の一部を使うべきだと思うか。

5. Once you all have read this chapter, work with your group to come up with a plot for a science fiction story that uses the properties of black holes.

   全員がこの章を読んだら、グループで協力して、ブラックホールの性質を使ったSFの筋書きを考えよう。

6. Black holes seem to be fascinating not just to astronomers but to the public, and they have become part of popular culture. Searching online, have group members research examples of black holes in music, advertising, cartoons, and the movies, and then make a presentation to share the examples you found with the whole class.

   ブラックホールは、天文学者だけでなく一般の人々をも魅了するらしく、大衆文化の一部になっている。グループのメンバーがオンラインで、音楽、広告、漫画、映画にブラックホールが登場する例を調べ、見つけた例をクラス全体に紹介する発表をつくろう。

7. As mentioned in the Gravity and Time Machines feature box in this chapter, the film Interstellar has a lot of black hole science in its plot and scenery. That’s because astrophysicist Kip Thorne at Caltech had a big hand in writing the initial treatment for the movie, and later producing it. Get your group members together (be sure you have popcorn) for a viewing of the movie and then try to use your knowledge of black holes from this chapter to explain the plot. (Note that the film also uses the concept of a wormhole, which we don’t discuss in this chapter. A wormhole is a theoretically possible way to use a large, spinning black hole to find a way to travel from one place in the universe to another without having to go through regular spacetime to get there.)

   この章の囲み記事「重力とタイムマシン」で触れたように、映画『インターステラー』の筋書きや映像には、ブラックホールの科学が数多く使われている。カリフォルニア工科大学の天体物理学者キップ・ソーンが、映画の初期の構想を書くことや、その後の製作に大きく関わったためである。グループのメンバーで集まって映画を見て、ポップコーンも忘れずに、この章で学んだブラックホールの知識を使って筋書きを説明してみよう。映画では、この章では扱わないワームホールという概念も使われる。ワームホールは、大きな回転するブラックホールを利用し、通常の時空を通って目的地まで進むことなく、宇宙のある場所から別の場所へ移動する道を見つける、理論上は可能な方法である。

8. In this chapter, we compare the beginning of gravitational wave astronomy to the time when silent films were replaced by movies with sound, trying to show how gravitational waves give us a whole new way of understanding and appreciating the universe. Have your group brainstorm, from your study of astronomy so far and other courses: What other discoveries in the history of science have done something similar—opened a whole new way to see nature and the rules by which the natural world operates?

   この章では、重力波天文学の始まりを、無声映画が音声つきの映画へ変わった時期にたとえた。重力波が、宇宙を理解し、その姿を味わうための、まったく新しい方法を与えることを示すためである。これまでの天文学の学習や、ほかの授業をもとに、グループで自由に考えを出し合おう。科学の歴史で、同じように、自然とその働きを支配する規則を見るまったく新しい方法を開いた発見には、ほかにどんなものがあるか。