もしブラックホールが太陽系にやって来て太陽を飲み込んでしまったら、惑星はまだ存在するのでしょうか？

この記事は、ネットユーザーからの質問に答えるものです。「ブラックホールが太陽を飲み込んだら太陽系はどうなるのでしょうか？」

この疑問を明確にするには、まずブラックホールとは何かというところから始めなければなりません。

ブラックホールは宇宙の天体の最高の死体である

世の中のあらゆる物には寿命があり、死に、死後には死体を残します。宇宙の天体についても同様です。すべての天体には進化のサイクルがあり、最終的には死に、死骸を残します。星の死骸には、黒色矮星、白色矮星、中性子星、ブラックホールなどがあります。ブラックホールは、宇宙の天体の死体の中で唯一の「ボス」であることに疑いの余地はありません。

人々の認識では、死者の遺骨は汚染と腐敗以外には何の役にも立たず、恐れる必要はない。しかし、神と幽霊に関する伝説では、人間の死体は邪悪な幽霊や善い幽霊に変化し、人間と交流することができます。時には生き返って世界に害を及ぼすこともあります。しかし、これは結局のところ単なる伝説であり、これらのものが本当に存在することを証明する証拠はありません。

しかし、ブラックホールは本当にすべてを「復活」させて飲み込むことができます。たとえ天体が自分より大きくても小さくても、近づいた瞬間に容赦なく飲み込まれ、跡形もなく、秒速30万キロメートルの光さえも逃れられない。

ブラックホールの摂食の最大の特徴は、天体物質を摂食すると明るく輝き、強力なエネルギージェットを放出することです。これらのエネルギーの爆発は、貪り食われている天体の魂が必死にもがき、助けてと叫んでいるようなものです。

ブラックホールが食べる仕組みこそが、人間がブラックホールを観測できる理由なのです。ブラックホールは食べたり飲んだりしなければ、存在しないかのように暗い空間に隠れ、完全に見えなくなります。もちろん、その重力場に入り込み、奇妙な動きを見せる天体が周囲にある場合、科学者たちはその目に見えない空間に休眠中のブラックホールが存在する可能性があることを知るだろう。

ブラックホールはどのように形成されるのでしょうか?

ブラックホールは、極限の状況下で自身の質量が臨界点まで圧縮された結果生じます。 1916 年、天体物理学者カール・シュヴァルツシルトは、アインシュタインの一般相対性理論に基づいて臨界質量点とその法則を発見し、シュヴァルツシルト半径の公式と呼ばれる、R=2MG/C^2 で表される公式を導き出しました。

いかなる物体もその質量すべてをこの臨界半径内に圧縮する限り、質量は中心にある無限に小さな特異点へと無限に収縮します。この特異点を包み込むように、無限の曲率を持つ球状の空間が周囲に形成されます。これはブラックホールです。この球状の空間をシュワルツシルト半径と呼びます。

粒子や原子などの微小な物体であれ、惑星などの巨視的な天体であれ、それらはすべて独自のシュワルツシルト半径を持ち、理論的にはブラックホールになる可能性があります。シュワルツシルト半径はどれくらいですか？シュワルツシルト半径の公式によれば、太陽の質量を持つ天体のシュワルツシルト半径は約 2952 メートルです。地球と同じ質量を持つ天体のシュワルツシルト半径は約8.9ミリメートルです。

しかし、ブラックホールになるための条件は非常に厳しく、極めて高い圧力が必要になります。したがって、宇宙には太陽と地球をブラックホールに圧縮できる力は存在しません。研究によれば、ビッグバンと大質量星だけがこの種のエネルギーを持っていることが示唆されています。科学者たちは、非常に大きなエネルギーを使って粒子を光速近くまで加速し、大型の衝突型加速器で衝突させて粒子の質量レベルのマイクロブラックホールを作ろうと試みてきたが、これまでのところ成功していないか、観測もされていない。

現在宇宙で観測されているブラックホールは恒星ブラックホールと超大質量ブラックホールだけです。恒星質量ブラックホールは、太陽の 30 ～ 40 倍の質量を持つ恒星です。進化の最終段階では、中心核での核融合が停止し、鉄の中心核だけが残ります。超新星爆発の後、鉄球は莫大な圧力を受けてブラックホールに圧縮されます。

ほぼすべての銀河の中心には、太陽の数百万倍から数億倍の質量を持つ超大質量ブラックホールがあります。たとえば、天の川銀河の中心にあるいて座A*ブラックホールは、太陽の質量の430万倍です。初めて写真が撮影されたM87銀河の中心にあるブラックホールは、太陽の65億倍の質量がある。そして宇宙で発見された最大のブラックホールであるSDSS J073739.96+384413.2は、太陽の1040億倍の質量を持っています。

恒星ブラックホールは近くの天体物質を継続的に飲み込みながらゆっくりと成長しますが、このサイズまで成長するのは非常に困難です。そのため、これらの超大質量ブラックホールは、ビッグバン後の巨大な星雲物質の直接的な崩壊によって形成されたブラックホールであると一般的に考えられています。理論的には、ビッグバンの初めに多くのマイクロブラックホールが生成されたが、それらの存在の証拠は今のところ見つかっておらず、おそらくはずっと以前に蒸発してしまったのかもしれない。

ブラックホールはなぜすべてを食べてしまうのでしょうか?

宇宙で知られている最大の恒星R136A1は太陽の200～300倍の質量があり、最小のブラックホールは太陽の3倍の質量しかありません。しかし、r136a1 がブラックホールに遭遇したとしても、飲み込まれるだけの結果しか得られません。ブラックホールはなぜそのような力を持っているのでしょうか?それはブラックホールの重力が非常に強いからです。

万有引力の法則は、F=GMm/r^2 と表されます。ここで、F は万有引力の値、G は万有引力定数、M と m は重力で相互作用する異なるサイズの 2 つの物体の質量、r は物体の質量中心間の距離です。この式は、重力の強さは物体の質量に比例し、距離の二乗に反比例することを示しています。言い換えれば、重力とは物体間の相互作用です。質量が大きいほど、重力も大きくなります。物体間の距離が増加すると、重力は指数関数的に減少します。

観察と研究の結果、質量を持つあらゆる物体はこの法則に従うことが証明されました。ブラックホールは奇妙ですが、質量を持つ天体でもあるので、この法則に従います。したがって、理論的に言えば、ブラックホールの重力はどの天体の重力と同じです。同じ質量と同じ距離であれば、重力は同じです。

では、ブラックホールの重力はなぜすべてを飲み込むほど強いのでしょうか?これは、ブラックホールの質量が極めて小さなサイズに圧縮され、質量のシュワルツシルト半径内に押し込まれ、時空の曲率が無限大になるためです。このように、一度その球状の空間に入った物質は、食べられてしまう運命から逃れることはできません。

万有引力の公式によれば、質量が 1.9891*10^30kg の太陽の半径は現在約 696,000 キロメートル、表面重力は約 270N·m^2/km^2 です。太陽と同じ質量をシュワルツシルト半径に圧縮すると、半径はわずか 2952 メートルになり、そのシュワルツシルト半径の臨界重力は 15 兆 N·m^2/km^2 に達します。

脱出速度の式v=√(2GM/R)によれば、太陽表面からの脱出速度は617.7km/s（キロメートル/秒）となります。しかし、太陽がブラックホールになると、シュワルツシルト半径の臨界点での脱出速度は光速に達します。シュワルツシルト半径に入った後、脱出速度は光速よりも速くなります。いわゆる脱出速度は、天体の重力から脱出するために到達しなければならない速度です。

光の速度は宇宙で最も速い速度です。ブラックホールからの脱出速度は光速よりも速い。いかなる物質も光速で動くことはできない。つまり、ブラックホールに入った物体は脱出できないということだ。これが、ブラックホールがすべてを飲み込み、光さえも逃げられない理由です。

したがって、重力の大きさに関して言えば、ブラックホールは他の天体と同様に質量に比例します。しかし、ブラックホールの表面は中心粒子に近すぎるため、シュワルツシルト半径に近づくと重力は極端になります。他の天体の表面は重力の中心核から比較的遠く離れています。ブラックホールに近づくと、表面重力はブラックホールの表面と競合できず、飲み込まれる運命にある。

しかし、ブラックホールから遠く離れた他の天体の重力はブラックホールの重力と全く同じであり、質量に比例します。ブラックホールよりも質量の大きい恒星が存在する場合、ブラックホールもその恒星の重力によって制約され、その恒星の周りを、または互いの周りを公転します。

ブラックホールのシュワルツシルト半径の端は、観測可能なものと観測不可能なものの間の臨界点であり、事象の地平線と呼ばれます。人間が観測できるブラックホールのすべての「出来事」は事象の地平線の外側にあります。物質がシュワルツシルト半径に入ると、すべて消滅します。

ブラックホールが天体の物質を飲み込むとき、まずすべての物質を粉々に粉砕します。これらの物質は素粒子に分解され、急速に回転するブラックホールの赤道の周りに降着円盤を形成します。秒速数万キロメートルの衝突で膨大なエネルギーが噴出し、まばゆいばかりの可視光線、高エネルギー光線、物質ジェットの形で宇宙空間に放出されます。

これが、ブラックホールが光を発し、人間が見たり写真を撮ったりできる原理です。

ブラックホールが星を飲み込む過程

ブラックホールが星を飲み込む過程は、一部のネットユーザーが想像しているように、一口で飲み込むようなものではない。代わりに、捉えた天体がどんどん近づくと、互いの周りを回転することになります。ブラックホールの極度の重力場に入った後、星の表面のガスは竜巻のようにゆっくりとブラックホールに引き剥がされ、自身のシュワルツシルト半径付近まで吸い込まれて降着円盤を形成し、ゆっくりと食べられていきます。

一般的に、恒星質量ブラックホール（つまり、より小さなブラックホール）は、物質をそれほど速く飲み込むことはありません。太陽の3倍の質量を持つブラックホールが太陽と同じ大きさの星を飲み込むには、数億年、あるいは数十億年もかかるだろう。ブラックホールが大きいほど、星を飲み込む速度も速くなります。たとえば、いて座A*ブラックホールは太陽の430万倍の質量を持ち、星を飲み込むのに数万年かかります。しかし、太陽の65億倍の質量を持つM87銀河のブラックホールが星を飲み込むのにかかる時間はわずか10年です。

これまで宇宙で発見された最大のブラックホールは、太陽の660億倍の質量を持つブラックホールTON618や、前述の太陽の1040億倍の質量を持つSDSS J073739.96+384413.2など、数か月のスピードで星を飲み込み、1年で数個から数十個の星を飲み込むこともあります。

しかし、ブラックホールが星を吸収するとき、それを丸ごと飲み込むわけではありません。かなりの部分が「見逃される」ことになるでしょう。この醜いプロセスでは、物質とエネルギーのジェットが生成され、遠くの宇宙へと逃げていきます。例えば、科学者たちは、いて座A*の両極のジェットの長さが数百万光年に達し、これは天の川銀河の直径の数倍に及ぶことを観測しました。放出された物質は戻ってきません。

そのため、科学者たちは宇宙の年齢はわずか138億年であり、恒星質量のブラックホールがどれだけ多くの星を食べ尽くしても、多くの星を食べることはできないと考えています。宇宙の超大質量ブラックホールは、星を食べてゆっくりと成長する恒星質量ブラックホールではあり得ません。これらは、ビッグバンの初期の超巨大星雲の崩壊、または宇宙の暗黒物質の大きな塊の崩壊によってのみ形成されます。

では、ブラックホールが太陽系に来たら何が起こるでしょうか?

ブラックホールが太陽系にやってくる確率は非常に小さいので、これは単なる推測に過ぎません。ブラックホールが本当に人類に襲い掛かるなら、その結果はブラックホールの大きさによって決まるだろう。

それが太陽から10光年離れた天の川銀河の中心にある太陽の430万倍の質量を持つ超大質量ブラックホールであれば、その影響は甚大なものとなるだろう。脱出速度の公式によれば、太陽がこのブラックホールの重力から逃れるには、秒速110kmの速度で移動する必要がある。

現在、太陽は天の川銀河の中心を秒速約250kmの速度で周回しています。そのため、ブラックホールは10光年の距離で太陽を保持することはできませんが、太陽系に大きな混乱を引き起こし、惑星の動きを破壊します。ブラックホールが接近し続け、太陽系から4.2光年離れたプロキシマ・ケンタウリの位置に到達すると、ブラックホールに対する太陽の脱出速度は169km/s必要となり、ブラックホールが受ける擾乱はますます大きくなる。

ブラックホールが太陽から1光年の距離に達すると、太陽の位置での脱出速度は348km/sに達します。太陽系全体が瓶の中の亀のようになってしまい、逃げ出すことは不可能になった。徐々に、太陽系は秒速300キロメートル以上の速度でブラックホールに向かって飛んでいきます。距離が近づくにつれて、速度は指数関数的に増加します。太陽とすべての惑星はすぐに崩壊し、ブラックホールの降着円盤内で高温のプラズマになります。

したがって、超大質量ブラックホールが出現すれば、太陽系全体がすぐに崩壊して消滅するでしょう。太陽を飲み込んだ後、太陽系に何が起こるのかは疑問の余地がありません。いて座A*よりもはるかに質量の大きいブラックホールは言うまでもありません。

恒星のブラックホールが太陽系に来た場合、最終的にはすべて飲み込まれてしまうことになりますが、そのプロセスは多少異なります。太陽の3倍の質量を持つブラックホールが太陽系に侵入した場合。太陽系から1光年以上離れると、木星を除く太陽系の惑星は太陽から離れてブラックホールの周りを公転します。太陽と4つの地球型惑星、金星、土星、水星、火星はブラックホールにさらに引き寄せられるでしょう。

地球の軌道の乱れや速度の変化により、地球のプレートが移動・変形し、火山、地震、津波などの地質災害が世界中に広がり、生物に壊滅的な被害をもたらします。すると、すべての惑星の軌道が入れ替わり、いくつかの惑星は引き裂かれてブラックホールに飲み込まれ、いくつかの惑星はブラックホールの周りを回る新しい軌道を形成するかもしれません。

太陽は間違いなく引き裂かれ、表面のプラズマはブラックホールに向かって飛んでいく細長い火の竜を形成するでしょう。ブラックホールが近づくと、太陽は完全に崩壊し、ブラックホールの降着円盤になります。 10年間のゆっくりとした消費の後、エネルギーの一部は最終的に宇宙に放出され、残りの物質はブラックホールに飲み込まれます。

この貪食の過程において、膨大な量のエネルギーが絶えず噴出しています。もし地球がこの時点でまだ存在していたら、地球上のすべての生物は灰になってしまったでしょう。太陽が完全に飲み込まれ、ブラックホールが消滅して見えなくなっても、重力は依然として存在します。地球がまだ生き残っている場合、ブラックホールから2億キロメートル離れたところで、その軌道速度は秒速約48キロメートルに達する必要がある。

しかし、このとき地球には光も熱もなく、暗闇に包まれています。温度は徐々に-270℃くらいまで下がります。すべてが凍りつき、暗黒の死んだ星になります。人生をやり直すことは不可能でしょう。

今日はこれで終わりです。読んでいただきありがとうございました。また、ディスカッションに参加していただければ幸いです。

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