太陽の中心にブラックホールがあったらどうなるでしょうか？天文学者たちはこれについて本当に真剣です!

まず最初に、これは夢物語でもなければ、SF映画のワンシーンでもなく、天文学者が真剣に研究している問題だということを明確にしておきたいと思います。この問題の起源は、はるか昔にまで遡ります。

01原始ブラックホール：宇宙の「混沌」の産物

137億年前、ビッグバンが始まったとき、初期の密度変動は不均一で、特にいくつかの小さなスケールでは、宇宙の大きなスケールの平均値よりもはるかに高い、非常に密度が高く熱い領域があった可能性があります。これらの高密度領域は、宇宙のごく初期（ビッグバンから 10 のマイナス 24 乗秒から 10 のマイナス 14 乗秒後）に重力によってブラックホールに崩壊した可能性があります。このようなブラックホールは原始ブラックホールと呼ばれます (図 1 参照)。原始ブラックホールの質量は、原始ブラックホールが誕生した時期によって、10のマイナス5乗グラムから10の38乗グラム（太陽の質量の10万倍）まで幅広く変化します。早く生まれるほど、質量は小さくなります。

原始ブラックホールの研究はまだ理論レベルにあります。宇宙ではまだ実際に発見されていませんが、原始ブラックホールが存在する可能性があることを示唆する観測的証拠がいくつかあり、その存在は天文学者が直面する多くの問題を解決する可能性があります。

（１）暗黒物質：宇宙のいたるところに存在する原始的なブラックホールは暗黒物質であるか、少なくともその一部を構成しているのではないかと多くの人が信じている。

（２）重力波は多数の連星ブラックホール合体現象を検出しており、そのうちのいくつかは恒星の崩壊では説明が難しい。それらは原始的なブラックホールである可能性があります。

（３）超大質量ブラックホールは初期宇宙で発見された。たとえば、ジェイムズ・ウェッブ望遠鏡は最近、太陽の4000万倍の質量を持つ超大質量ブラックホールを発見しました。それはビッグバンからわずか5億年後のことでした。当時、第一世代のスターが誕生したのはつい最近のことだった。たとえブラックホールに崩壊したとしても、そのような超大質量ブラックホールに融合するには時間が足りなかった。巨大な原始ブラックホールは、非常に短い時間で超大質量ブラックホールに融合できる種である可能性があります。

図 1. ビッグバンから現在までの宇宙の進化。理論的には、ビッグバンの初めにブラックホールが生成されるだろうと予測されており、このタイプのブラックホールは原始ブラックホールと呼ばれています。 （画像は https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2021/12/Did_black_holes_form_immediately_after_the_Big_Bang から改変）

02 ホーキング星: 中心にブラックホールが「寄生」している星

1970年代、ホーキング博士と彼の同僚カイルは原始ブラックホールに関する多くの研究を行った。その中で、ホーキングは原始ブラックホールの量子効果を研究する際に、ブラックホールが放射線を生成すると提唱し、後にホーキング放射と呼ばれるようになりました。質量が 10 の 15 乗グラム未満(直径 1 km の小惑星にほぼ相当) の原始ブラックホールは、ホーキング放射によってゆっくりと蒸発し、今日まで「生き残る」ことはできないでしょう。ホーキング博士は、宇宙が極めて巨大なブラックホールで満ちているならば、太陽のような恒星がそれらの多くを吸収し、最終的には太陽の中心で質量が約10の17乗グラムの小さなブラックホールに融合する可能性があるという考えさえ提唱した。ブラックホールが恒星の中心に寄生している可能性があると提案されたのはこれが初めてでした。ホーキング博士の当初の仮説を記念して、この天体を「ホーキングの星」と呼ぶことを提案する人もいました。

しかし、ブラックホールについて考えるとき、人々はそれを宇宙のすべてを破壊して食い尽くす貪欲な怪物として考えます。星の中心にブラックホールがあるとしたら、そのブラックホールによって粉々に打ちのめされ、もはや普通の星ではなくなるのではないかと思う人もいるだろう。しかし、ホーキングの星の中心には小さなブラックホールがあり、これは太陽の質量（ 10の33乗グラム）に比べれば無視できるほど小さく、星に壊滅的な結果をもたらすことはない。星の長い寿命の間でも、このミニブラックホールの存在を検出することは困難です。

03太陽がホーキング星なら

もし現在の太陽がホーキング惑星だったら、何か違いがあるでしょうか?当然、内部構造は通常の星とは異なります。最も大きな違いは、中心部の対流が増加し、太陽内部の対流域が拡大し、物質のさまざまな層がかき混ぜられる（沸騰した水のように）が、太陽表面にはほとんど影響がないことです。ブラックホールの集積によって生じる光は太陽の核融合によって放出される光よりもはるかに小さく、太陽の明るさの変化をまったく観測することができません。ブラックホールの存在は太陽の核融合速度も変化させますが、その変化は極めて小さいものです。現在の観測レベル（太陽震動やニュートリノ観測を含む）では、通常の太陽とミニブラックホール（質量が 10 の 26 乗グラム未満、おおよそ月と同等）を含む太陽を区別することはできません。

もし太陽がホーキング星として誕生したとしたら、普通の星のように進化するのでしょうか？天文学者は数値シミュレーションを使用して、このような質問に答えることができます。ブラックホールは太陽から物質を吸収するにつれて徐々に大きくなり、吸収によって生じる光度はますます高くなります。ブラックホールの質量が10の29乗グラム（海王星とほぼ同等）まで大きくなると、ブラックホールの降着の光度は核融合の光度を超えます。この時、太陽は膨張し始め、太陽全体が対流域になります。

さらに、ホーキングの星の中心領域も膨張し、密度が低下して核融合が起こらなくなるだろう。この時点で、太陽全体のエネルギーはブラックホールの集積によって支配されます。この時、太陽は主系列を離れており、後主系列と呼ばれます。このとき、太陽は通常の赤色巨星よりも冷たく、赤くなります。太陽は今後数億年から数十億年の間、主系列後期にあり、ゆっくりとブラックホールに飲み込まれていくだろう。

太陽は晩年急速に膨張し、数億年以内に赤色巨星となり、地球さえも飲み込んでしまうことは誰もが知っています。しかし、ホーキングの主系列以降の膨張は非常に小さく、最大でも現在の太陽の直径の4～5倍にまで膨張するだろう。地球は主系列後期にホーキング星に飲み込まれることはないだろうが、それでも焦げ付き、このとき地球の温度は摂氏250度にも達する可能性がある。

ブラックホールの初期質量が10の21乗グラム（直径100キロメートルの小惑星にほぼ相当）であれば、太陽は100億年以上にわたって通常の恒星とまったく同じように進化することになります。ブラックホールの質量が10の29乗グラムを超えるようになったのは、ここ数億年の間だけで、通常の赤色巨星段階とは大きく異なる後主系列段階に入ります。しかし、ブラックホールの初期質量が10倍（10の22乗グラム）に増加すると、太陽は70億年後に後主系列に入ることになります。さらに10倍（10の23乗グラム）増加すると、太陽は25億年後に後主系列に入ることになります。ホーキングの惑星がポスト・プライム期後にどのように進化したかはまだわかっておらず、天文学者はさらなる研究を行う必要がある。

04ホーキングの星を見つける方法

天文学者の推定によれば、太陽が小さな原始ブラックホールを捕らえる確率は非常に低い。もしミニ原始ブラックホールが一般的であれば、ホーキングの星が天の川銀河の数千億の星の中に存在する可能性が高い。では、どうやってそれらを発見するのでしょうか?

図2 天の川銀河は星で満たされています。 (画像はESAより)

外見や明るさは普通の恒星と似ていますが、特に主系列後の時期には内部の対流がより激しくなり、恒星全体が完全に対流し、中心部のヘリウムが表面に出てきます。そのため、その表面のヘリウムの存在量は普通の恒星より​​もはるかに高いのです。しかし、太陽の質量を持つホーキング星の温度は比較的低く、ヘリウムのスペクトル線は非常に弱いため、スペクトル測定によってヘリウムの存在量を得ることは困難です。

しかし、恒星地震測定は、恒星の内部構造や振動パターンを得るためにも使用できます。完全な対流のため、ホーキング星の振動パターンは通常の星のものと異なります。したがって、恒星地震の研究はホーキングの星を特定するための重要な手段です。ガイア衛星は天の川銀河の10億個の星を観測した。今後公開されるデータは、恒星震学の研究にも利用される可能性があります。ケプラー衛星とTESS衛星、そして将来のPLATO衛星とRoman衛星はすべて、恒星震学研究のためのデータを提供することができます。おそらく、彼らの星震学データの結果には、天文学者が探すのを待っているホーキングの星の存在の証拠が含まれているのでしょう。待って見てみましょう！

参考文献:

https://arxiv.org/pdf/2312.07647.pdf

https://arxiv.org/abs/2312.06782

https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1971MNRAS.152...75H/abstract

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad0e76

著者：ヤン・ジェン、中国科学院上海天文台研究員

制作：中国科学普及協会

制作：中国科学技術出版社、中国科学技術出版社（北京）デジタルメディア株式会社