宇宙は本当に一つの大きなブラックホールなのでしょうか?

以下は、Lost in Space-Time ニュースレターからの抜粋です。私たちは毎月、物理学者や数学者にキーボードを渡し、宇宙の片隅から得た魅力的なアイデアについてお話しします。あなたはできる ロスト・イン・時空への登録はこちらから。

「それで、あなたはブラックホールについての本を書いたのですか？」

見知らぬ人はカクテルを一口飲みます。私たちはパーティーに出席していて、ゲストに紹介されています。私はピニャコラーダをかき混ぜながら丁寧にうなずきました。

「それでは、教えてください」と見知らぬ人は、私の目をじっと見つめながら続けました。 本当に 宇宙全体がブラックホールだというのは本当ですか？」

驚かないよ。これは、私がこれらの宇宙の巨大生物について現在わかっていることを知るために、何年も科学者と話したり、天文台を訪れたりしてきたと人々に話すとき、最もよく聞かれる質問の 1 つです。

そして、人々が知りたいと思うのも不思議ではありません。私たちが宇宙を覗いたときに見えるきらめく銀河が、宇宙空間の中に閉じ込められている可能性があるというメディアの見出しが定期的に登場します。 巨大なブラックホール。そのようなアイデアを議論するビデオは YouTube で何百万回も再生されます。まるで SF 小説のような話ですが、メリットがないわけではありません。この考えに対する科学的調査は、少なくとも 1972 年に遡ります。当時、物理学者ラージ クマール パスリアは、 Nature誌に手紙を掲載 タイトルは「ブラックホールとしての宇宙」。それ以来、度々、気が遠くなるような主張が繰り返されるようになりました。

それで、それは本当ですか？

ブラックホールの作り方

簡単に言えば、ブラック ホールは、重力が非常に強いため、光さえもそこから逃れることができない宇宙領域です。

これらの謎に満ちた天体は、第一次世界大戦中に天文学者カール シュヴァルツシルトによって数学によって初めて発見されました。フランスとドイツの戦線で激化する戦闘の轟音を聞きながら、彼はアルバート・アインシュタインが新たに発表した一般相対性理論の方程式が何を予測するのかを調査した。 惑星の動き そして星の構造。

シュワルツシルトは、空間と時間が私たちの世界経験と大きく同期せずにどのように動作し、自らを向き直して、後にブラックホールと呼ばれるタイプの逃れられない領域を作り出すかを説明する公式を思いつきました。

シュワルツシルトの発見は、ブラックホールがどのように機能するかについての深い洞察につながりました。人体、惑星、恒星などの特定の質量部分を取り上げます。次に、それをシュワルツシルトの公式で定義された体積内に押し込みます。 そして出来上がり！ ブラックホールが形成されました。

この臨界体積は物体の質量によって異なります。人間の体としては、それはばかばかしいほど小さく、陽子の100分の1です。地球の場合、それはゴルフボールほどの大きさですが、太陽の場合、それはロサンゼルスのダウンタウンの大きさ（直径約6キロメートル、つまり4マイル弱）にほぼ相当します。

ご覧のとおり、ブラックホールを作成するのは困難です。通常の状況では、物質はそのような非常に高い密度に圧縮されることを好みません。物質を崩壊させてブラックホールを形成させることができるのは、宇宙で最も大規模な星が超新星爆発するときのような、最も大変動的なプロセスだけです。

しかし、ブラックホール生成の物語には紆余曲折があります。星の爆発から作られたものは、非常に高密度の物質から生じていますが、そのはるかに大きな物質は、 超大規模ないとこほとんどの銀河の中心に存在し、密度は非常に低いです。シュワルツシルトの公式によれば、ブラック ホールが大きくなればなるほど、その中に含まれる空虚が多くなり、その平均密度は低くなります (やや手荒な意味で、実際には、ブラック ホールのような複雑な時空オブジェクトの密度を定義するのは簡単ではありません)。したがって、観測された最大のブラック ホールの平均密度は空気の密度よりも小さいのです。

では、宇宙はどうなるのでしょうか？大部分が空の空間で構成されているとすると、その極めて低い密度は依然としてブラック ホールの密度に相当するでしょうか?

宇宙のサイズを測る

シュワルツシルトの公式のおかげで、天文学者は物体がブラック ホールであるかどうかを判断するツールを備えています。まず、その質量を測定します。次に、そのボリュームを設定します。シュワルツシルトの公式で定義される体積よりも小さな体積に閉じ込められた物体の質量がある場合、それはブラック ホールであるはずです。

それでは、このレシピを宇宙全体に適用してみましょう。そのためには、その質量と体積を知る必要があります。しかし、私たちは天の定規を使って宇宙全体を歩き回ってその真の幅を測定することはできないため、その全体の大きさを知ることは不可能です。私たちにできることは、宇宙の彼方から届く光や粒子を観察することだけです。

私たちが見ることができる最も古い光は、 宇宙マイクロ波の背景。ビッグバンからわずか38万年後に誕生しました。宇宙は膨張しているため、この光が発せられた地点は現在、私たちから非常に遠く離れたところにあります。ビッグバン以降に光が移動できた合計距離が定義されます。 観測可能な宇宙、直径は930億光年です。

数十年にわたって行われた入念な測定のおかげで、天文学者たちはこの体積内にどのくらいの質量があるかを決定しました: 約 10⁵⁴ kg (1 の後に 54 個のゼロが続き、1 セプテンデシリオンという派手な名前が付いています)。

ここで、質量が 17 デシリオン キログラムのブラック ホールの仮想的なサイズを計算してみましょう。この数値をシュワルツシルトの公式に代入し、ドラムを鳴らしてみましょう。いくつかの数学的演算を行った後、私たちは驚くべき答えに直面します。そのようなブラックホールは直径 3,000 億光年あり、観測可能な宇宙のおよそ 3 倍の大きさになります。言い換えれば、観測可能な宇宙に含まれる大きさと質量を見るだけで、それはブラックホールであるという条件に当てはまります。

「すごい」とカクテルパーティーにいた好奇心旺盛な見知らぬ人は叫んだ。「では、宇宙は本当にブラックホールなのでしょうか？」

「そんなに速くないよ、バッタ」と私は答えた。この疑問の真相に本当に迫るには、ブラックホールの内部を詳しく調べる必要があります。

暗闇の中へ

ブラックホールは奇妙だ。それらの多くの奇妙な側面の 1 つは、外側から見ると大きさが一定であるように見えますが、内側では常に変化していることです。シュヴァルツシルトの公式によれば、それらの内部の空間は一方向に引き伸ばされ、同時に他の 2 つの方向に押しつぶされます。 (ブラックホールが回転している場合、その内部世界はさらに奇妙になりますが、それは別のニュースレターでの話です。)

宇宙論者はこのタイプの構造をこう呼んでいます 異方性。 トロピカル 「方向」を意味し、 イソ は「等しい」を意味し、 の 否定を意味します。ブラック ホール内の異方性の力学は、3 つの空間方向のうち 1 つが膨張し、他の 2 つが収縮することを意味します。これは、ゴムシートが細い紐に引っ張られるようになります。この歪みは、降り注ぐすべての物質が潮汐によって引き伸ばされる現象と密接に関係しており、スティーブン・ホーキング博士はそのトレードマークの言語的センスでこれをスパゲティ化と呼んだ。

ブラックホールの場合とは異なり、宇宙は膨張するにつれて膨張します 等方的に (つまり、すべての方向に同じように拡張します)。ブラックホールの内部とはあまり似ていませんね?

しかし、それはまだブラックホール宇宙の可能性を排除するものではありません。それは、ブラックホールは、表面的にはよく知られているように見える2つの特徴、つまり事象の地平線と特異点を私たちの宇宙と共有しているためです。

の 事象の地平線 光が出てこない面です。ブラックホールの場合、それは物質が一度通過すると決して逃れることができない、後戻りできない通過点を示します。宇宙の場合、空間の膨張が非常に速く起こり、非常に遠い銀河からの光が私たちに届かなくなるために起こります。

この宇宙の事象の地平線は、ブラック ホールの事象の地平線の裏返しバージョンのようなものです。後者では、ブラック ホールの深淵の奥深くを覗くことはできませんが、前者では、宇宙の最果てまで外側を見ることができません。

この逆転の関係は、物質の密度と時空の曲率が無限に大きくなる運命の点である不気味な特異点にも当てはまります。シュワルツシルトの公式によれば、特異点とは、ブラックホールに突入した不運な宇宙飛行士が事象の地平線を通過した後に必ず遭遇する未来の時点のことです。同様に、私たちの宇宙論モデルにも特異点が含まれていますが、それは過去のことです。宇宙の膨張を逆に外挿すると、空間内のすべての点がますます近づき、密度がますます高くなります。密度が際限なく上昇するにつれて、ビッグバン モデルの謎めいた初期瞬間は特異点で最高潮に達します。したがって、ブラックホールの場合、数学的に特異点は未来にありますが、膨張する宇宙の場合、特異点は過去にあります。どちらの場合も、モデル内で生じる特異点は、それらの不可解な密集点で何が起こっているのかを正確に理解していないことを示しています。

これらすべてを足し合わせると、膨張、事象の地平線、特異点の違いが、私たちの宇宙についてかなり説得力のある絵を描きます。 ではありません ブラックホール。それは似ていません！

「しかし、ちょっと待ってください。私たちの宇宙がブラックホールであるための基準を満たしていると計算しただけだと思っていました。これは意味がありません!」

「そうですね、計算は正しいですが、シュワルツシルトと同様の数学的関係が、膨張する宇宙のモデルの奥深くに埋め込まれていることがわかりました。これはブラック ホールに特有のものではありません。」と私は答えました。

私たちが知ることのできる範囲を超えた、最大の宇宙規模でどのような奇妙なことが起こるか誰にもわかりません。 私たちの望遠鏡で探査してください。しかし、膨張する宇宙と自転しないブラックホールに関する私たちの基本モデルによれば、私たちの宇宙はブラックホールの中にあるという特徴を持っていません。それについてどう考えるべきでしょうか?個人的には、これは重力の多用途性の証拠であり、時空を砕くブラック ホールや加速膨張する宇宙などの驚異的な構造を同時に作り出すものだと考えています。

Jonas Enander はスウェーデンのサイエンス ライターで、物理学の博士号を取得しています。最近出版された彼の本 Facing Infinity: ブラックホールと地球上の私たちの場所 (Atlantic Books/The Experiment、2025) は、ブラックホールが宇宙と人類に与える影響を調査しています。これらのアイデアを探求するために、彼は 水彩画を使ってストーリーを伝えるビデオを作成しました。

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