ブラックホール
ブラックホールは、時空が非常に強く湾曲しているため、光さえも事象の地平線の内側から脱出できない領域です。ブラックホールは一般相対性理論の最も顕著な予測の一つであり、現在では直接観測されています。
Definition
ブラックホールは、事象の地平線によって境界付けられた時空の領域です。事象の地平線は、その内部からはいかなる信号も遠方の観測者に到達できない一方通行の表面であり、物質がシュヴァルツシルト半径内に圧縮されたときに形成され、平衡状態では質量、角運動量、電荷のみによって特徴付けられます。
Scope
この分野では、ブラックホールの定義と構造、すなわち事象の地平線とその内部に閉じ込められた特異点、定常ブラックホールを質量、電荷、スピンに還元する無毛定理、回転するカー幾何学と荷電したライスナー・ノルドシュトローム幾何学、ブラックホール力学の法則とそのホーキング放射を含む熱力学的解釈、そしてブラックホールを形成する重力崩壊について扱います。
Sub-topics
Core questions
- 事象の地平線とは何か、そしてその向こうには何があるのか？
- 定常ブラックホールが3つの数値のみで記述されるのはなぜか？
- 量子効果はどのようにしてブラックホールを放射させ、エントロピーを持たせるのか？
- 天体物理学的ブラックホールは重力崩壊によってどのように形成されるのか？
Key concepts
- 事象の地平線
- 特異点
- 無毛定理
- ブラックホールエントロピー
- ホーキング放射
- 重力崩壊
Key theories
- 無毛定理
- 一般相対性理論における定常ブラックホールは、その質量、角運動量、および電荷によって完全に特徴付けられ、それを形成した物質の他のすべての詳細は事象の地平線の向こうに失われるというものです。
- 特異点定理
- ペンローズとホーキングは、妥当なエネルギー条件と因果条件の下で、重力崩壊と初期宇宙が時空特異点を生み出すことを証明しました。これにより、特異点が対称性の人工物ではなく、一般相対性理論の一般的な特徴であることが確立されました。
- ホーキング放射
- 事象の地平線近傍の量子場理論は、ブラックホールがその質量に反比例する温度で熱放射を放出し、ゆっくりと蒸発することを予測しており、重力、量子論、熱力学を結びつけています。
Clinical relevance
ブラックホールは現代天体物理学の中心的な存在です。恒星質量ブラックホールは、崩壊する大質量星から形成され、X線連星のエネルギー源となります。超大質量ブラックホールは銀河を固定し、活動銀河核を駆動します。また、ブラックホールの合体は、これまでに検出された重力波の最も強力な源です。
History
シュヴァルツシルトの1916年の解に暗に含まれていたブラックホールは、オッペンハイマーとスナイダーが1939年に崩壊モデルを提唱するまで、長い間非物理的であると考えられていました。ペンローズの1965年の特異点定理、ホイーラーによる「ブラックホール」という命名、無毛定理の結果、そして1970年代のベッケンシュタインとホーキングによるブラックホール熱力学の発見により、ブラックホールは中心的な天体としての地位を確立し、後に重力波観測やイベント・ホライズン・テレスコープによる観測によって確認されました。
Debates
- 情報パラドックス
- ホーキングの計算は、蒸発するブラックホールが情報を破壊することを示唆しており、量子力学のユニタリー性と矛盾します。ホログラフィー、ファイアウォール、または放射中の微妙な相関を通じてこの矛盾を解消することは、現在も活発で未解決の問題として残っています。
Key figures
- Roger Penrose
- Stephen Hawking
- Jacob Bekenstein
- John Wheeler
- Roy Kerr
Related topics
Seminal works
- penrose1965
- hawking1975
Frequently asked questions
- ブラックホールの内部で何が起こっているかを見ることはできますか？
- 外部からはできません。事象の地平線は、内部からのいかなる信号も遠方の観測者に到達するのを妨げるため、内部は因果的に切断されています。落ち込んだ観測者は原理的には内部を調査できますが、地平線を越えて報告することは決してできません。
- ブラックホールは永遠に存在しますか？
- 古典的にはそうですが、ホーキング放射によって質量を失い、最終的には蒸発します。恒星質量以上のブラックホールの場合、その時間スケールは天文学的に長いため、これまでに考慮された人間の時間スケールや宇宙論的時間スケールでは、天体物理学的ブラックホールは実質的に永続的です。