[비즈한국] ブラックホールは、宇宙の最も巨大で暗い秘密である。ブラックホールの中に入るとどうなるのか？宇宙で最も巨大なブラックホールはどれほど大きいのか？そしてもう一つ、ブラックホールの話において欠かせないキーワードがある。まさにホワイトホールだ。
ブラックホールを直訳すれば「黒い穴」となる。その正反対の概念である「白い穴」がホワイトホールだ。私たちはよく、ブラックホールをプールの底にぽっかりと開いた排水口のように考える。周辺にあるものを全て飲み込む、時空に開いた排水口として捉えるのだ。自然とこのような疑問が浮かぶ。ブラックホールが全てを吸い込む存在であるならば、飲み込まれたものはどこへ消えるのか？食べる口があれば後で排出する場所があるように、ブラックホールが飲み込んだ物質もどこかから出てくるのではないだろうか？多くの人はそのように、ホワイトホールをブラックホールの正反対、つまり全てを吐き出す存在であると想像する。
ブラックホールの存在は、早くから予測されていた。そして、地球規模の電波望遠鏡を動員してその実体を確認することさえできた。しかし、ホワイトホールは違う。これまでホワイトホールを観測した例は一度もない。それどころか、多くの天文学者や物理学者がホワイトホールの存在そのものに懐疑的である。
もしホワイトホールが本当に宇宙に存在し、私たちがまだその姿を発見できていないだけだとしたら、私たちは何を探すべきなのだろうか？どこを見るべきなのか？一見すると、ブラックホールとは逆に全ての物質とエネルギーを吐き出す存在なのだから、莫大なエネルギーを四方八方に放出している非常に明るい天体を探せばよいように思える。しかし、まさにその部分が私たちの最も大きな誤解である。ホワイトホールを見つけたいのであれば、明るく輝く場所を探してはならない。
まず、ブラックホールの特異点について考えてみよう。宇宙で最もよく見られる一般的なブラックホールは、太陽の数十倍以上の質量を持つ星が進化を終え、急激に崩壊することで作られる。多くの人は、重い星が最期に超新星爆発を起こした後、その中心に残った残骸がブラックホールになると考えているが、それは違う。核融合を終えた星の中心部が崩壊する際、四方八方にニュートリノをはじめとする高エネルギー粒子が急速に放出される。このとき、あまりにも多くのエネルギーが四方に散らばり、外側で共に崩壊していた星の層と衝突し、最終的に星の外殻物質も反動を受けて急速に弾け飛ぶ。これが私たちが目にする超新星爆発である。
そのため、超新星爆発の後には中心に中性子星程度のものが残る。もし崩壊した星の中心部の質量が最初からあまりに重ければ、内側から漏れ出る高エネルギー粒子の力さえも押さえつけてしまう。すると、いかなる爆発も起こさず、星全体が一点へと崩壊してしまう。これが星の死によって生まれるブラックホールである。
要約すると、超新星爆発の結果として残る残骸がブラックホールなのではなく、死にゆく星は「超新星爆発を起こす」か「爆発なしにそのままブラックホールへ崩壊する」かの二者択一を辿る、と考えるのが正しい。
こうして作られたブラックホールは、事実上、崩壊した星全体の質量がほぼ一点に集まっている状態だ。アインシュタインの相対性理論によれば、時空は質量によって歪み、ねじ曲げられる。質量が重いほど時空の歪みは大きくなる。そして重力が強い場所、つまり空間がより大きく歪んでいる場所では、時間はよりゆっくりと流れる。
ブラックホールの重力が非常に強いため、極端な状況を想定することができる。ブラックホールから十分に離れた場所では時空の歪みがまだ大きくないため、十分な速度を出せばブラックホールへ吸い込まれずに無事に脱出できる。しかし、ブラックホールの周辺にあまりに近づくと危険だ。時空があまりに深く、急激に湾曲しているからだ。その急な時空の曲率を脱出して外へ出るには、光よりも速い速度が必要となる。言い換えれば、宇宙で最も速い光でさえも、ブラックホールの重力からは逃れられないということだ。
ブラックホールの周囲にどれほど近づけば光さえも脱出できなくなるのか、その境界を「事象の地平線」と呼ぶ。アインシュタインの相対性理論は早くからこのような極限状況を予見していた。しかし、アインシュタイン本人でさえ、光すらも脱出できないブラックホールという概念を最初は受け入れられなかった。アインシュタインでさえ、数学が示す宇宙の真理を素直に受け入れることはできなかったのだ。
では、ブラックホールの事象の地平線を超えて、その中心へ向かう旅をすると想像してみよう。宇宙船が非常に頑丈で壊れないとしたら、中に乗っている私たちはどのような変化を感じるだろうか？驚くべきことに、何の変化も感じない。ブラックホールから遠く離れて普通の宇宙を漂っていても、事象の地平線の境界を際どく回っていても、あるいは事象の地平線を越えてその中に入ったとしても、私たちにとって時間は常に同じように流れる。
ただし、事象の地平線へ近づく私たちを遠くから誰かが見守っていた場合、その人には全く別の光景として映るだろう。その人から見れば、私たちの宇宙船は徐々に遅くなり、事象の地平線に到達した瞬間にそのまま凍りついて、時間が永遠に止まったように見えるはずだ。これこそが相対性理論の妙なところである。私が何をしようと、どこにいようと、自分が体験する自分の時間は何の問題もなく流れている。単に、別の観測者から見た私の時間だけが違って見えるのだ。
理解を助けるために、3次元の時空を2次元の平面に一段階下げてみよう。ブラックホールは、2次元時空を際限なく深く掘り進む穴だと言える。時間が経つにつれ、ブラックホールはこの時空の穴をさらに狭く深く掘り進んでいく。際限なく深く掘られているように見えるが、この穴の深さが本当に無限に続くわけではない。時間が経つにつれて、より急速に深くなるだけである。
穴の底には、自ら崩壊してブラックホールを作った星が依然として存在する！しかし、進化を終えた星は、わずか数秒で瞬時に崩壊して消えるはずだ。それならば、一体どのようにブラックホールはより長い時間存在し得るのだろうか？
まさにここに、相対性理論の時間の魔法が展開される。事象の地平線の外側、私たちが住む世界では短い時間が流れたに過ぎない。事象の地平線の向こう、その深淵に住むブラックホールには、はるかに長い時間が流れているのだ。つまり、ブラックホールの特異点は中心にあるのではなく、今よりも時間が経過した時点、まさに「未来」にあるのである！
それでは、崩壊した星は本当に永遠に崩壊し続けるのだろうか？イタリアの物理学者カルロ・ロヴェッリは、そうではないモデルを提示している。崩壊した星は小さくなり続け、量子力学的に許容される最小のスケール、いわゆる「プランクスケール」に到達すると、崩壊を止めることができる。崩壊していた星が突如として崩壊を止めれば、次はどうなるか？床に落としたボールが跳ね返るように、崩壊した星も限界に達すれば再び急速に「跳ね返る（バウンス）」可能性がある。アインシュタインの一般相対性理論において、ブラックホールが作られる過程の時間軸を逆にするだけだ。つまり、ブラックホールが作られる過程と同じで、時間の流れだけが正反対になれば、非常に簡単にホワイトホールを作り出せるということだ。
では、プランクスケールまで崩壊した時空の穴の奥深くにある星の残骸が、どのように瞬時に時間の流れを逆に回転させ、ホワイトホールへ変身できるのか？ここでロヴェッリは、量子力学が支配するミクロの世界で非常にうまく通用する現象を活用する。まさに「量子トンネル効果」である。極めて小さな量子力学的スケールになると、すべての存在は波としての性質を強く持つようになる。壁を突き抜けて反対側へ通り抜けることさえある。これを量子トンネル効果と呼ぶ。
太陽のような一般的な星の内部でも、互いに反発し合う陽子同士が衝突して、より大きな塊へと結合する過程において、量子トンネル効果が両者の間の斥力を突き抜けて結合を可能にしている。同様の文脈で、ブラックホールの穴の中にある崩壊した星が量子トンネル効果を経験すれば、瞬時に時間の方向が逆転するホワイトホールの形成過程へと突入することも可能なのだ。
ブラックホールの事象の地平線を越えて中に入れば、際限なく穴の中へと墜落する。外へ出ることは不可能だ。逆に、ホワイトホールの事象の地平線を超えることはできない。では、こうした違いを利用して、ブラックホールとは異なるホワイトホールの存在を観測で立証することは可能だろうか？つまり、私たちが住む宇宙の外から見たとき、ブラックホールとホワイトホールの姿はどう異なるのか？
困惑することに、違いはない！一見すると奇妙に聞こえるだろう。あなたがブラックホールとホワイトホールの事象の地平線に近づく姿を、誰かが遠くから見守っていると想像してほしい。あなたはブラックホールの事象の地平線をそのまま越えて中へ入るだろう。そしてその中のブラックホールへ向かって際限なく墜落し続ける。逆にホワイトホールの場合、事象の地平線の向こう、その中には入れない。結局、あなたはホワイトホールの事象の地平線の境界でそのまま止まったままになる。
では、こうした違いは結局外から見て分かるのではないか？しかし、そうではない。ブラックホールの周辺では時間が次第に遅くなり、最終的には事象の地平線で永遠に止まると言わなかったか！つまり、ブラックホールであれホワイトホールであれ、事象の地平線の境界に到達したあなたを遠くから見守れば、どちらも同じようにその境界で凍りつき、永遠に止まっているように見える。何の違いもないのだ！
これこそがホワイトホールの微妙な点である。事象の地平線の内側では、確かにブラックホールとホワイトホールで起こる現象は正反対になる。しかし、両者の違いは事象の地平線の中でしか存在しない。外の世界では違いがないのである。
それでは、一度崩壊してプランクスケールを経験し、量子トンネル効果を通じて再び跳ね返り、ホワイトホールへ変身したブラックホールは、永遠に消えずに宇宙が滅びるまで存在するのだろうか？
そうではないだろう。ブラックホールの最後については、すでに物理学者スティーヴン・ホーキングが明確に予測している。ブラックホールの事象の地平線境界では、負のエネルギーがブラックホールに流れ込み、ブラックホールが四方八方に粒子を放出しているかのような蒸発過程、「ホーキング放射」が起こる。これは、熱を帯びた物体が熱を放出する熱放射と似ている。そして熱の流れこそが、宇宙において時間が最終的に一方向に流れていることを知る唯一の手がかりだ。事象の地平線の内側では、アインシュタインの方程式の中で時間が逆に流れるホワイトホールの誕生が可能かもしれないが、結局宇宙の外から見れば、ブラックホールもゆっくりと蒸発して質量が軽くなっていく「時間の奴隷」に過ぎない。
この全ての過程は、事象の地平線の外側にいる私たちには、非常に長い年月がかかっているように見えるだろう。しかし、事象の地平線の内側では全てが瞬時に起こる。星全体が崩壊し、プランクスケールを経て再びホワイトホールになるまで、ごく短い刹那の時間が過ぎるだけだ。しかし、その間に外側の宇宙では数十億年の時間が経過している可能性がある。ロヴェッリはこう語る。
「プランク星の跳ね返りは、未来へ行く近道だ。外では永劫の歳月がゆっくりと流れるが、一瞬安全に隠れることができる道なのだ」
この仮説を受け入れれば、もう一つ驚くべき可能性を考えることができる。非常に長い時間が経った後に作られたホワイトホールがどのような姿か考えてみよう。最終的にホーキング放射を通じて保有していたエネルギーと質量の大部分を失ったプランク星は、外から見ればわずかなエネルギーしか放出しない小さな塊に過ぎないだろう。驚くべきことに、その中には未来に向かって際限なく続くかのような広大な世界があるかもしれないが。最後に到達したホワイトホールは、物理的に存在できる最小の質量であるプランク質量程度として残るだろう。事象の地平線の大きさがプランクスケールより短くなることはないため、結局ホワイトホールはこの程度の質量までしか軽くはなれない。これはほとんど髪の毛一本分ほどの質量である。
もしビッグバン直後、初期宇宙において大量の暗黒物質の塊が収縮し、数多くの原始ブラックホールが作られていたとしたら？そしてそれらの大部分が現在まで徐々に質量を減らし続け、髪の毛一本分ほどの小さなホワイトホールとして残っているとしたら？私の部屋いっぱいに白い猫の毛が漂っているように、0.1gにも満たない小さなホワイトホールの破片が宇宙の至る所を漂っているかもしれない。たとえホワイトホール一個の質量はあまりに微々たるもので、小さすぎて見えなかったとしても、その数が数え切れないほど多ければ、宇宙全体の質量のかなりの部分を占めているかもしれない。もしかすると、私たちがまだ存在を正確に把握できていない「暗黒物質（ダークマター）」の本当の正体こそが、宇宙空間を漂う無数のホワイトホールの破片ではないだろうか？
筆者チ・ウンベは？猫と宇宙を愛する。幼い頃『銀河鉄道999』を見て、宇宙の美しさを伝えたいという夢を持つようになった。現在は延世大学銀河進化研究センター及び近宇宙論研究室で、銀河の相互作用を通じた進化を研究しており、講演や執筆など多様な科学コミュニケーション活動を行っている。『サムに乗る天文台』、『一日中宇宙を考える』、『星、光の科学』などの著書がある。