ブラックホールから光が脱出できない理由

質問

天才アインシュタイン先生と天才ホーキング先生が説明してくれたブラックホールについての質問です。光が脱出できない理由は、

A. 絶対零度に近く、熱を受けないので原子核が振動しない。
B. 原子核が非常に重く、自由電子の電荷で原子核が振動しない。
C. 自由電子が非常に重く、原子核の周りを自由に動けない。
D. その他。

光が脱出できないというより、光そのものが発生していない感じでしょうか。周波数の極めて低い、超超超長波は発生して脱出していると思います。

回答No.3

Tacochin · ベストアンサー

>>ブラックホールから光が脱出できない理由

「ジェット気流」が出ていない通常のブラックホールでお答えします。

Ｄ（その他）です。

理論上落下速度が光速を超えるからです。

下りのエスカレーターが良い例えです。エスカレーターの作動速度が光速の場合、光速を超える速度で登らないと、エスカレーターから脱出できません。実際に光速で動くエスカレーターなんてないですが、ブラックホールの時空をエスカレーターに例えました。

ブラックホールでは、事象の地平線（シュワルツシルト半径）を超えると、理論上落下速度が光速を超えることになります。質量0の光子すらも重力に吸い込まれます。

■事象の地平線
事象の地平線では落下速度が光速に達します。事象の地平線が光の脱出できなくなる限界点です。

そこでは（ブラックホール外の観測者から見て）時間が止まってしまいます。運動方向（引力で中心に向かう方向）の空間軸の尺度（物差し）の長さが0、代わりに時間軸の尺度が無限大（時間停止）となります。

■事象の地平線の内側
理論上、時間軸と空間軸の役割が入れ替わると言われています。

すなわち、吸い込まれていく重力の空間的方向が時間軸となり、もし重力で潰されなければ「未来にも過去にも移動できるのでは？」という話に発展してくるわけです。「インターステラー」などのＳＦ映画にも題材とされてきました。

■赤方偏移
「重力赤方偏移」も光の波長が延ばされるという現象で、重力に伴って時間の尺度が延ばされる（時間の流れが遅くなる）のと連動しています。これも「光の波動が時空に従い歪む現象」と言えます。「赤方偏移」は「ドップラー効果」で説明される「遠ざかる救急車の音」と原理は一緒ですね。

■曲がった時空
４次元時空のなかの空間軸が加速により時間軸方向へ傾くと、３次元空間に投影された射影は傾いた分、短くなります。光速になると垂直（つまり時間軸と平行）となり、射影が線（運動方向に長さ0）になります（添付図①参照方）。空間軸が時間軸方向に平行になるということは、理論上、時間軸方向へ移動可能ということになります。

■一般状態に含まれる特殊状態
特殊相対性理論の平面（一定速度の時空）を連続的に曲がった面（加速不度の時空）で表現したのが一般相対性理論ということになります。ブラックホールを含む重力場はその典型的なものです（添付図②，③参照方）

■ワームホール
ブラックホールとホワイトホールがワームホールというトンネルで繋がり、同じ宇宙の別の場所へワープするか（添付図⑤「膨張宇宙におけるワームホール」）、全く別の宇宙へワープする（添付図④「ワームホール（虫食い穴）」）か、理論的に諸説提唱されていますが、ＳＦの題材としても扱われるわけです。

■４次元球の表面が「現在の宇宙」という断面
膨張宇宙を考えると、ビッグバンで始まった４次元球の中心点から各膨張方向に時間軸があり、４次元球の表面にブラックホールとホワイトホールが存在し、ワームホールでつながっているとしたのが添付図⑤です（「膨張宇宙におけるワームホール」）。

■他の選択肢Ａ，Ｂ，Ｃについて
ブラックホール外の観測者から見て時間が止まってしまうわけですから、原子核の振動も電子の回転運動もできなくなるわけです。観測者から見て凍り付いたように見えます。光も例外なく止まってしまうため届かなくなり、見えません。真っ暗なままです。

回答No.4

Tacochin

回答No3の誤記訂正です。

「■一般状態に含まれる特殊状態」の項目で
”特殊相対性理論の平面（一定速度の時空）を連続的に曲がった面（加速不度の時空）で表現したのが一般相対性理論ということになります。”の文

加速不度の時空　×
加速度の時空　　〇

でした。申し訳ございません。

以上です。

回答No.2

Nakay702

ブラックホールから「光が脱出できない」ことはありません。
一般にブラックホールとされるものは、内部が一定の圧力まで高まると、垂直方向（上下）にジェット気流が噴き出します。

https://gigazine.net/news/20210524-engine-powering-black...
ブラックホールの強力なジェット噴射に関する謎が解明されようとしている.

回答No.1

t_ohta

ブラックホールは重力が大きく密度が高くなるため高温だと考えられているのでAはあり得ないでしょうね。
光には質量がないのでB・Cも当て嵌まらないでしょう。

ブラックホールは大きな重力があるため時空が大きく歪んでいると考えられています。
光は時空に沿って進ので、時空が歪んでいれば曲がります。
ブラックホールの重力が大きく時空の歪みが大きいため無限に近い凹みが出来ていると考えられ、延々と凹みの底に向かって進んでいるため人間から見たら飲み込まれて脱出できない状態に見えると言う事です。

お礼

丁寧なご説明をありがとうございます。ブラックホールが高温で光が脱出できないとすると、熱がこもり更に高温になって原子核の振動が激しくなり、１点で潰れたままではいられないかもなので、高温ブラックホールの存在は理解しにくいのですが、私には時空の歪みも理解しにくいです。基礎の質問で失礼しております。