境界はどこにある？
地平面とは、中心からの距離で脱出速度が光速に等しくなる場所です。それより内側からは何も外へ出られません。信号が何かに引き留められるからではなく、そこではすべての軌道が内側へ向かうからです。境界そのものに物質はなく、真空の純粋な幾何学です。
地平面の半径は質量で決まり、質量に比例して大きくなります。地球をブラックホールに圧縮すると、境界はサクランボほどの球になります。太陽なら半径約3kmの球です。太陽系がある銀河の中心のいて座A*は、太陽の約400万倍の質量をもち、地平面は1200万km先にあります。
この境界に、その場でわかる目印はありません。落下中の宇宙船の計器も何も示しません。また、周囲だけを見て地平面の位置を計算することもできません。ブラックホールの未来全体に左右されるからです。1年後にガス雲が落ち込むなら、地平面はあらかじめ広がり始めます。
落ちる人が通過を感じない理由
危険なのは境界そのものではなく、重力の差です。足は頭より強く引かれ、体は引き伸ばされます。地平面でのこの差は、ブラックホールが重いほど小さくなります。恒星質量のブラックホールなら、地平面の数百km手前で人は引き裂かれます。超大質量ブラックホールでは、境界での引き伸ばしは感じないほど小さく、引き裂かれるのはもっと後、深い内部です。
超大質量ブラックホールに落ちる人にとって、境界通過はどれほど気づくものか。
それでも、すべてが変わります。地平面の内側では「外へ」は空間の方向ではなく、時間の方向になります。中心から離れることは、ここで昨日へ行けないのと同じくらい不可能です。後方へ送った信号も、さらに深くへ進みます。
外から見えるもの
外から見ると、話は逆です。物体が地平面に近づくほど、遠くの観測者にはその時計が遅く進み、光はより赤く見えます。厳密には、その像は境界を越えません。縁で永遠に止まっているように見えます。
ただし、ここでの「永遠に」は「見えなくなる」という意味です。明るさは指数関数的に、しかも急速に落ちます。恒星質量のブラックホールなら像はミリ秒で消え、超大質量なら数分で消えます。地平面に物質が閉じ込められてできた、光る殻を見た人はいません。
外部の観測者から見た落下物体の明るさ: 一段ごとに3分の1。
ブラックホール画像のオレンジ色の輪も、地平面ではありません。中心の暗い斑点は、半径で地平面の約2.6倍です。近くを通る光がブラックホールの周りを曲がり、この光学効果が影の縁を決めます。これらはすべて一般相対性理論の予測です。量子効果を考慮したとき地平面で何が起きるかは、物理学者の間で今も議論されています。
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あと1分で読み終わり、最後にクイズがあります。 「宇宙 → ブラックホール」にあります
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出典
- 地平面の大きさ - シュヴァルツシルト解（1916）。影の画像 - Event Horizon Telescope: M87*（2019）、いて座A*（2022）。