2011年8月金沢大学集中講義
「X線天文学」
第2回
相対性理論とブラックホール
JAXA 宇宙科学研究所
海老沢 研
一般向けのブラックホールの話から
• ブラックホールについて
– ブラックホールとは何か?
– どうやってブラックホールを観測するのか?
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ブラックホールとは?
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ブラックホールとは
「とっても」重くて、「とっても」小さな星
「これよりは小さくなれない」星
どのくらい重くてどのくらい小さければブラック
ホールと言うのか?
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重力の話
• すべての星は重力を持っている
– ぼくたちは重力で地球にくっついている!
• 星の重力 → 星の重さ ÷ (星の半径)2
• 質量M,半径rの星の重力=GM/r2
重力ポテンシャル=-GM/r
G=万有引力定数
• 星の半径がどんどん小さくなると…
– 星の重力はどんどん強くなる!
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重力の話
• 星の重力がどんどん強くなると…
– モノが落ちるときの速さはどんどん速くなる
– モノが星から離れるのがどんどんむずかしくなる
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地球の重力
• ボールを上に投げて見ましょう
– 速ければ速いほど高く上がる
• ボールを高いところから落としてみましょう
– 高ければ高いほど速くなる
• 地球の「脱出速度」
– 運動エネルギーとポテンシャルエネルギーが等しい
(無限遠方で速度=0になる)
½ mv2 = GMm/r
v=(2GM/r)1/2
G=6.67x10-11Mm2kg-2, M=5.97x1024kg, R =6378km
– v=秒速11キロメートル(時速4万キロメートル)
– 1時間ちょっとで地球を1周するくらいの速さ
• それより速いボールは地球からにげ出してしまう!
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地球をブラックホールにするには?
• 脱出速度=光の速さとなる地球の半径は?
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cを光速として、c=(2GM/r)1/2
r=2GM/c2 この半径をシュバルツシルド半径と言う
r=2x6.67x10-11x5.97x1024/(3x108)2=0.009m=9mm
地球の脱出速度が光の速さになる!
地球にモノが落ちたときの速さが光の速さ
光の速さじゃないと地球から逃げられない
• 自然界には光より速いものはないから…
– 地球は半径9mmよりは小さくなれない!
• 半径9mmの地球はブラックホールになる
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しかし…
• 地球を半径9mmまで押しつぶす力はない
• 地球はブラックホールにはなれない
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ブラックホールはどこにある?
• ブラックホールは星の爆発の後にできる
• 大きな星の最後
– 超新星爆発
• 爆発の後に星のコアが残る
– 星の芯が太陽の1~2倍程度中性子星ができる
– 中性子星は、中性子同士の「核力(強い相互作用)」で支
えられている
• 星のコアがとても重いとき…
– 太陽の重さの2倍から3倍以上
– それほど重いものを支える力はない
– 自分の重力でどんどんつぶれていく
• ブラックホールの誕生!
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超新星爆発の例
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超新星爆発の約320年後の姿(カシオペアAのX線写真)
ブラックホールをどうやってみつける?
• ブラックホールは光をださない
• ブラックホールのまわりを、別の星が回ってい
ることがよくある
– 地球が太陽のまわりを回っているように
• その星から、ブラックホールに角運動量を
持った物質が落ちていく
この円盤がエックス線を出
• ブラックホールの回りに降着円盤ができる
している
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円盤はどうやってエックス線を出す?
• ブラックホールの回りで、円盤はほとんど光
の速さで回っている
• 両手をこすり合わせてみましょう
– 「まさつ熱」(粘性)で温かくなってくる
• ブラックホールの回りの円盤で、まさつ熱が
生じる
– 磁気的な粘性だと考えられている
• 円盤の温度は一千万度から一億度になる!
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円盤はどうやってエックス線を出す?
• 星は温度に応じた色の光を出す(黒体輻射)
ベデルギウス
• 太陽の温度は6000度
– 黄色く見える
• 赤っぽい星の温度は3000度くらい
• 白っぽい星の温度は10000度くらい
• もっと温度が高い星(10万度から100万度)は紫外
線を出す
• 一千万度から一億度の円盤はエックス線を出す
– 人間の目では見えない
– 大気に吸収されて地面まで届かない
By Yuuji Kitahara
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ブラックホールのエックス線写真
はくちょう座X-3
(ブラックホールか
中性子星)
天の川の
赤外線写真
(はくちょう座周辺)
たくさんの星とガスが
見えている。
ブラックホールはどこ?
• ヨーロッパのINTEGRAL衛星による、
ブラックホール天体「はくちょうざX-1」の写真
• ブラックホールはX線で明るく光っている!
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ブラックホールの質量をどうやって
測定する?
• ブラックホールの回りを回っている星の運動を
調べる
• 星の運動から計算してブラックホールの重力
の強さがわかる
– 速くまわっていれば重力が強い
– 重力の強さからブラックホールの重さがわかる
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ブラックホールの回りを回っている星
の運動をどうやって調べる(1)?
• 音を出しているものは、音のドップラー効果を
使えば運動がわかる!
• 運動によって音の高さ(波長)が変化する
• 星からは決まった色(波長)の光が出ている
• 光のドップラー効果によって、その色(波長)
が星の運動によって変化する
• その色(波長)の運動による変化をはかる
• ブラックホールのまわりを回転する星の運動
からブラックホールの重さがわかる
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「ぎんが」衛星が発見したブラックホー
ルGS1124-68のまわりの星の運動
星が遠ざかる速さ
ブラックホールの重さは
太陽の約6倍
回転周期
回転周期
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ブラックホールの回りを回っている星
の運動をどうやって調べる(2)?
• 銀河の中心には巨大ブラックホールがある
• 巨大ブラックホールの回りを回っている星の動
きを直接観測することができる
• 星の運動から計算によって、巨大ブラックホー
ルの重力の強さがわかる
• 重力の強さから巨大ブラックホールの重さが
わかる
• 私たちの銀河の中心にあるブラックホールの
重さは太陽の370万倍
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我々の銀河中心付近の星の運動
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http://www.mpe.mpg.de/ir/GC/res_dance.phpより
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