ブラックホールは、最後の0.1秒で「爆発」する。

編集・制作：未知なる宇宙科学 ARCHIVES 編集部

ブラックホールは最後に爆発して消える——ホーキング放射と蒸発の物理学

宇宙で最も「飲み込むだけ」の存在と考えられてきたブラックホール。光すら脱出できない、完全な暗黒の天体です。しかし理論上、ある種のブラックホールはその生涯の最後のわずか0.1秒ほどで、太陽が数十億年かけて放出するエネルギーに匹敵する閃光を放ち、爆発して消滅するとされています。質量を失いながら縮み続け、最後にガンマ線のフラッシュを放って消える——この「最後の輝き」は100年近く物理学者の課題であり続け、いま観測の射程に入りつつあります。

ブラックホールの概念がどのように生まれたか

アインシュタインも実在を認めなかった天体

ブラックホールの概念が生まれたのは、1915年にアインシュタインが一般相対性理論（重力を時空のゆがみとして記述する理論）を発表した翌年のことです。ドイツの物理学者カール・シュヴァルツシルトが、第一次世界大戦の東部戦線で方程式の解を導き出しました。

その解が示したのは、ある一定以上の質量がきわめて狭い領域に押し込められると、重力が暴走して光すら脱出できなくなる「境界」が生まれるという事実でした。この境界は事象の地平面（イベント・ホライズン）と呼ばれます。一度ここを越えたものは、外の宇宙に戻れません。

皮肉なことに、当のアインシュタイン自身は、こんな天体が実在するとは考えていませんでした。あまりに極端な状態であり、自然がそれを許すはずがないと考えたためです。「ブラックホール」という呼び名が広まったのは1960年代末、物理学者ジョン・ホイーラーが使って以降のことです。

「完全な片道通行」として描かれていた時代

20世紀半ばまで、ブラックホールは何でも吸い込み、何も返さない天体だと考えられていました。温度はなく、ただ静かに質量を増やしていく存在として描かれていたのです。

ところが1974年、この描像を根底から覆す発見がありました。スティーヴン・ホーキングによる、ブラックホールからの熱放射の理論的予測です。

ホーキング放射：ブラックホールが微弱な光を放つ仕組み

真空の「ゆらぎ」から粒子が生まれる

ホーキングが持ち込んだのは、量子力学という、ミクロの世界を支配する物理学です。

量子力学によれば、「真空」と呼ばれる何もない空間も、完全な無ではありません。ごく短い時間、粒子と反粒子のペアが生まれては消える、絶え間ない「ゆらぎ」に満ちています。

ホーキングはこのゆらぎが事象の地平面のすぐ際で起きた場合を考えました。片方の粒子が地平面の内側へ落ち、もう片方が外へ逃げ出すと、外の宇宙から見ればブラックホールがわずかに粒子を「放出」しているように見えます。これがホーキング放射です。

ブラックホールの温度と「小さいほど熱い」という逆転

この発見の核心は、ブラックホールが温度を持つという点にあります。そしてその温度は、直感に反する性質を持っています。

ブラックホールは、小さいほど熱く、激しく放射する。

• 太陽の質量を持つブラックホールの温度は、わずか約0.00000006K（60ナノケルビン）。絶対零度とほぼ変わらない極低温です。
• 一方、質量が小さくなるほど温度は急上昇します。温度は質量に反比例するためです。

つまりブラックホールは、放射によって少しずつ質量を失い、軽くなるほど熱くなり、熱くなるほど激しく放射するという、自己加速的な蒸発をたどります。「永遠の暗黒」と思われた天体は、実はごくゆっくりと蒸発し続けているのです。

太陽質量のブラックホールが蒸発しきるまでの時間

ただし、太陽程度の質量を持つブラックホールが蒸発しきるには、現在の宇宙年齢（約138億年）の10の60乗倍という途方もない時間がかかります。通常の恒星由来のブラックホールが消える瞬間を、現実的に観測できる見込みはありません。

では、どのようなブラックホールなら「最後の爆発」を観測できるのでしょうか。

原始ブラックホール：ビッグバン直後に生まれた小さな天体

恒星の死ではなく、宇宙の誕生から生まれた可能性

鍵を握るのが、原始ブラックホールという仮説上の天体です。

通常のブラックホールは、巨大な星が重力崩壊して生まれます。一方、原始ブラックホールはビッグバン直後（宇宙誕生から1秒にも満たない時期）の超高密度な状態で、密度の偏りから直接生まれたと考えられています。

その質量は星由来のものよりはるかに小さく、小惑星ひとつ分あるいは山ひとつ分ほどとされています。重要なのは、その中に宇宙誕生直後に生まれ、ちょうど現在の時点で蒸発の最終段階を迎えるサイズのものが存在しうる点です。質量にしておよそ10億トン（初期質量）——それが138億年かけて蒸発し、最期を迎えると理論は示しています。

最後の0.1秒で起きること

蒸発の最終局面は、急激です。

軽くなるほど温度が上がり、放射が強まる。放射が強まればさらに質量を失い、いっそう小さく、いっそう熱くなる——この連鎖は加速度的に進み、残り質量が尽きるわずか0.1秒から1秒ほどの間に、蓄えていたエネルギーを一気に解き放つとされています。

放出されるのは主に高エネルギーのガンマ線（波長のきわめて短い電磁波）です。豆粒ほどに縮んだブラックホールが、プランクスケール（物理学で意味を持つ最小の長さ、約10のマイナス35乗メートル）に近づくにつれ、宇宙空間に向けて強烈な閃光を放ち、そして消えます。

観測の現状：ガンマ線の閃光を捉える試み

現在稼働中の観測装置

この爆発的な最期は、現在も世界中の研究者が観測によって確認しようと試みています。

• フェルミ・ガンマ線宇宙望遠鏡（NASA）は、全天を監視し、突発的なガンマ線の閃光を記録し続けています。
• 地上では、チェレンコフ望遠鏡群（HAWC、VERITASなど）が、ガンマ線が大気に飛び込んだ際に生じる青い光を検出しようとしています。

比較的近距離（数光年以内）で原始ブラックホールが蒸発すれば、その特徴的なガンマ線スペクトルが地球で検出できるはずです。これまでのところ確実な検出例は報告されていませんが、それは逆に「原始ブラックホールの数密度はこれより多くはない」という上限を与える成果にもなっています。

ダークマターとの関連という大きな問い

原始ブラックホール探しには、さらに大きな動機があります。宇宙の質量の大部分を占めながら正体不明のダークマター（光を出さず重力でのみ存在がわかる物質）の候補として、無数の原始ブラックホールが挙げられているためです。

もし蒸発の閃光が一度でも確実に観測されれば、それはホーキング放射の史上初の直接的な証拠となります。さらに、一般相対性理論と量子力学を統一する「重力の量子論」研究に具体的な手がかりをもたらす可能性があります。

この研究が物理学にとって重要な理由

ブラックホールの蒸発という現象は、二つの意味で物理学の核心に触れています。

ひとつは、情報の問題です。ブラックホールに落ち込んだ物質の情報が蒸発によって完全に失われるのか、それとも何らかの形で保存されるのかは、現在も未解決の論争点です（「ブラックホール情報パラドックス」と呼ばれます）。

もうひとつは、宇宙の初期状態への窓という意味です。原始ブラックホールの分布や蒸発の様子を観測できれば、ビッグバン直後の宇宙がどれほど均一だったか、あるいは密度の偏りがどの程度あったかを推定する手がかりになります。

ホーキング放射の直接検出は、いまだ実現していません。しかしその探索は、量子重力理論、暗黒物質の正体、宇宙初期の物理状態という複数の未解決問題を同時に照らし得る観測として、現在も継続されています。