今年のノーベル物理学賞は、ブラックホールの理論的・観測的証拠の開発に重要な役割を果たした3人の研究者に授与されます。

ブラックホールがノーベル物理学賞を受賞するのは、4年ぶり2回目となります。本日発表された2020年のノーベル物理学賞は、ブラックホールの存在を証明するのに貢献した3人の研究者、物理学者のロジャー・ペンローズ氏(イギリス・オックスフォード大学)、天文学者のラインハルト・ゲンゼル氏(ドイツ・マックスプランク地球外物理学研究所)とアンドレア・ゲズ氏(カリフォルニア大学ロサンゼルス校)の貢献を称えて授与される。

ペンローズ氏は賞金1000万スウェーデン・クローネ(110万ドル)の半分を、ゲンゼル氏とゲズ氏は残りの半分を均等に分け合うことになります。

この3人の科学者は、共にブラックホールに関する私たちの知識に革命をもたらしました。

特異点。抵抗は無益

私たちは今日、ブラックホールがアルバート・アインシュタインの一般相対性理論の避けられない結果であることを知っています。この枠組みでは、重力は幾何学である。質量は時空の曲線を描き、時空の曲線は質量の動きを描きます。ブラックホールは、質量が時空を大きくカーブさせているところで、光でさえも何も逃れられない。

技術的には、光が逃げられない密度の高い物体の概念は、アインシュタインよりも前のものです。1700年代後半、イギリスの神父で科学者のジョン・ミッシェルとフランスの多元論者ピエール・シモン・ラプラスが独自にこの概念を提案した。しかし、今日私たちが知っているようなブラックホールの基礎を築いたのはドイツの天文学者カール・シュワルツシルトであり、彼は1916年初頭の第一次世界大戦の戦場で、対称的で回転しない巨大な質量がその周りの時空をどのようにカーブさせるかについてアインシュタインの方程式を解いたのです。

しかし、ブラックホールが科学的に受け入れられるようになるのは数十年後のことであった。

1939年、アメリカの物理学者ロバート・オッペンハイマーと彼の学生ハートランド・スナイダーによる計算により、球対称的な崩壊の場合には、天体は必然的に無限密度の特異点にまで収縮することが示された。イベントの地平線は、特異点を囲むように、外部の宇宙からの内部を閉じます。アインシュタインは、このアイデアを嫌った)ニュージーランドの数学者ロイカー1963年に回転オブジェクトに仕事を拡大しました。

しかし、それはアイデアを一般化した1960年代半ばにペンローズだった:彼は関係なく、崩壊の対称性に関係なく、十分な質量/エネルギーが一緒に詰め込まれているときに特異点への崩壊が常に起こることを示した。

ペンローズは、この飛躍のために新しい数学的概念を導入しました: 閉じ込められた曲面です。閉じ込められた表面は、表面が内側に曲がっているか外側に曲がっているかにかかわらず、それに垂直なすべての光線を強制的に収束させます。光は逃げることができません。そして、光より速く移動できるものはないので、他のすべてのものは内側に落ちていきます。内側への道は、ブラックホールの外の時間の進む矢印と同じように、一方通行のみである。

避けられない結果は特異点であり、それに関連する理由から、時間の中の一瞬と表現されることもある。特異点が実際に何であるかはまだ不明である。私たちが知っているのは、そこで古典物理学が崩壊するということだけです。(重力の用語では、時空は無限に湾曲している)

ペンローズは他の貢献の中で、自転するブラックホールからエネルギーを取り出すことが可能であることを発見しました。布ナプキンの上に重いマグカップを置き、マグカップをねじります。ナプキンはマグカップと一緒にねじれ、ゆがんだ布の風景を作成します。同じようなことが、自転するブラックホールでも起こります。これは、レンズ・サーリング効果と呼ばれるもので、時空の布を引きずっています。地球も同様ですが、それほど深刻ではありません)。

このねじれた領域はエルゴ圏と呼ばれています。ここでは、宇宙飛行士(あるいは小惑星や他の物体)は、事象の地平線の外側にいるにもかかわらず、ブラックホールの自転によって強制的に引きずり回されることになります。ペンローズは、エルゴ圏を介してブラックホールから回転エネルギーを盗むことが可能であることに気付きました。その後、他の研究者はこの洞察を利用して、ブラックホールの相対論的ジェットの動力源がスピンエネルギーであることを示唆している。

誰も行ったことのないところへ大胆に行くために

ペンローズの研究は、彼が1960年代に特異点問題の研究をしていたのと同じ時期に発見された、遠く離れた驚異的な発光源にブラックホールがパワーを与えていたことを説明するのに役立った。これらのクエーサーは、ブラックホールの最初の観測証拠となりました。しかし、天文学者が超巨大ブラックホールがほぼすべての主要銀河の中心に存在すると確信するまでには、数十年の歳月を要しました。ブラックホールは、そのホストと奇妙な共生関係を持っています。

ゲンゼルとゲズの研究は、この努力において極めて重要な役割を果たしました。二人の天文学者とそのチームは、自分たちが開発した、あるいはそれを利用した一連の技術的な偉業のおかげで、世界最高の地上ベースの赤外線望遠鏡を使って、銀河の中心部の塵だらけのガスの中を覗き見するのに30年近くを費やしてきました。天の川銀河の中心部の奥深くでは、目に見えない中心を中心に、何十個もの星々がぐるぐる回っているのが見えました。何年にもわたって星の運動を追跡することで、天文学者たちは星の軌道をマッピングしましたが、これは決して偉業ではありません。これらの星は26,000光年以上離れていて、視野の中に水玉のように集まっています。

これらの星は26,000光年以上離れたところにあり、視野の中で水玉のように集まっているのです。最良の説明は、天文学者が「いて座A*」と呼ぶ超巨大ブラックホールである。

また、チームの観測により、一般相対性理論の2つの予測である重力赤方偏移と軌道後退を確認することができました。2018年に星S2(Ghezチームの命名法ではS0-2)がSgr A*の上に降りてくると、ブラックホールが自分自身の周りに作る時空の谷に潜り込んだ。この間、星の光は、外に出て私たちに到達するために、より懸命に働かなければなりませんでした。エネルギー損失が光を赤くしたので、両方のチームがそれを検出しました。

また、歪んだ時空の中を旅していると、星の進路が少しずれてしまいました。星の入射角がわずかに変化し、ブラックホールに最も近づく位置が変わったのです。何度も通過するうちに、星の軌道は1つの楕円ではなく、ロゼットのような形をしています。ゲンゼルさんのチームは、今年の初めに、この変化の最初の証拠を報告しました。

チームの内外の天文学者たちは、2つのグループの間の長年の競争が、彼らを卓越したものに導いたと評価しています。独立した方法と観測によって得られた彼らの結果は、科学の世界ではなかなか得られないお互いの分析を見事に確認することができました。

要するに、新たにノーベル賞を受賞した3人の研究者は、注目すべき科学者である。しかし、真の勝者はブラックホールだと主張する人もいるかもしれない。一世紀前には、ブラックホールは紙の上の数学だったが、今では、宇宙ではソファの下のホコリウサギのように普通に存在している。ゲンゼル、ゲズ、ペンローズは、それを実現するのを助けた。