重力波は何故ブラックホールから出られるのですか？

質問

その強力な重力波によってあらゆる物を引き込むと言われるブラックホール。
もっとも早く移動できる光さえも例外ではなく、そのために巨大でありながら真っ暗なのだといいます。
ところで、重力波の伝播スピードは光速以上ではないとききました。
であれば、光が引き込まれてしまうブラックホールでは、重力波も引き込まれてしまうのでしょうか？
重力波もブラックホールに引き込まれてしまうなら、重力波が周囲に伝播できない事になり、周囲にある光も引き込まれないですよね？
ということは、「全てのもの」と言っても重力波だけは例外なのでしょうか？
「重力波は重力波の影響を受けないのでしょうか？」
以上よろしくお願い致します。

回答No.6

iapetus · ベストアンサー

すいません。長いです。
そのことに、よく気が付かれましたね。
ネットを探してみましたが、明確な回答は見つけられませんでした。　実に興味深い質問だと思います。

他の方が仰っておられるように、質量がもたらす空間の歪みを、について、人間が理解しやすいように宇宙空間を、薄いゴム膜のような２次元平面に例え、空間の歪みの度合いを膜の歪み（窪み）として表現する手法がよくあります。

ここへ、天体を重い金属球に例えて置けば、球の質量が大きければ、実験環境にある地球の引力によって、膜は大きく深く窪みます。

これは、質量が作る空間の歪みの強さ＝重力を、ゴム膜面の窪みの深さとして表したものです。（実際に空間が凹んでいる、というのとはちょっと違います。実際には、同じ体積なのにより縮んで濃くなっている、というのが正しい表現かも。）

この、言わば「ゴム膜宇宙モデル」において、重力波とブラックホールとは何かを考え直してみましょう。

重力波とは、これも他の方が仰っておられるように、重力そのもののことではなく、天体などの質量の変化により重力の強さが変化した際、それが空間へ波動として伝播していく現象のことです。
それは、比較的最近、その存在を示す証拠が見つかりました。

前述のゴム膜宇宙モデルについて、ゴム膜が1m四方程度であれば窪みの変化は瞬時に伝わり人には認識し辛いかもしれません。
しかし、これが体育館ほどもあれば、窪みを新たに作ったりより深くすると、それはまさに「重力の強さの変化」を示しており、変化はざーっと四方へ向け波として伝わっていくのが視認できるでしょう。
その波がまさに重力波を示すのであって、そして、波が全体に伝わり切った後は、ゴム膜全体の傾きの変化は、新しい窪みの角度に修正されます。

この体育館サイズのゴム膜宇宙の中心に、非常に重い星が作る深い窪みがあったとします。
また、膜の上における光速度は、例えば秒速３ｍ程度であると仮定します（ここでは、摩擦による速度の減衰は無視します）。

ここで、今、光子１つを表すパチンコ玉１個をゴム膜面に走らせます。
球の速度は、例えば最大毎秒３ｍなのですが、窪みが深ければ深い程、この窪みにパチンコ玉がさしかかった時、大きく経路が曲げられますが、遠心力で窪みに捕まることなく再び遠ざかります。
中には、窪みの中心にうんと近付いてしまい、数回回転してからどうにか逃げ去るものもあるかもしれません。
そして、窪みの中心から一定の半径以下にパチンコ玉が近付いた場合、その全てが飲みこまれてしまう領域が必ずあります。
そしてこの領域は、窪みの深さに応じて広がっていきます。
この領域の半径を、シュバルツシルト半径といい、この半径を持つ実際の宇宙における球面がシュバルツシルト面、そしてその内側の領域が、ブラックホールを表します。
この領域にパチンコ玉（光）がひとたび入ってしまえば、もう、二度と再び外へ戻る術はないのです。

ここで注目して頂きたいのは、シュバルツシルト半径の描く円（実際は球）があったとしても、ゴム膜の面は不連続にはなっていない、ということです。
確かに、計算上は、シュバルツシルト面に達すると、相対性理論の計算上、時間が止まると考えられますが、質は、激しく潰され圧縮されるものの、質量としては存在したまま、永劫の時間を掛けてゆっくりとシュバルツシルト面を通過し、飲み込まれます。
そしてブラックホールはその分重くなり、それに応じてシュバルツシルト面の半径を広げ大きくなり、その変化は重力波として周囲へ伝播する、ということで矛盾はしないと思います。

もし、重力波がシュバルツシルト面を通過できないのなら、重力が増大した現象が外部には伝播できないことになり、ブラックホールはいくら物質を飲み込んでも、最初に出来上がった時と大きさが変わらない、ということになるでしょう。
しかし、我が銀河系の中心には太陽質量の3,600万倍という巨大なブラックホールが存在すると推定されていますし、観測上、最も大きなものは、太陽質量の180億倍というものさえあります。
これらは、ブラックホールが物質を飲み込み続けて大きく成長する可能性を示唆しています。
もし、銀河同士が合体する場合、その中心を担っていた互いのブラックホールもついには合体し、シュバルツシルト半径を一気に大きくしていった歴史の証拠といっていいでしょう。
ブラックホールが物質を飲み込んだ入り合体したりして成長することそのものが、重力波がシュバルツシルト面を通過して伝播できることの、間接的な証明になっていると考えます。

お礼

丁寧なご回答をありがとうございました。
他の皆様のご意見も「へぇ～そうなんだ～」と素直に納得してしまいましたが、中でも質問者のレベルに一番合わせていだだけたという意味で選ばせていただきました。

回答No.7

kenzou104

持論で答えます。
外の観測者にとって、高重力下の対象はスローモーションに見えます。
ブラックホールだと止まって見えます（目ではなく心で見てください）。

そもそも時間の流れていない対象から、発光が観測できるでしょうか？時の止まったブラックホールから発した重力を感じるでしょうか？
光は観測できないですが、重力は感じます。なぜだろう？

考え方を変えて思考実験をしてみます。（適切でないかもですが・・・）
無重力下で、水が詰まった大きな風船の中に、観測者がいるとイメージしてください。
風船の口を開くとどうなるでしょう？
観測者は水とともに、風船の口に向かって吸い込まれるでしょう。
しかしそれは本当に、風船の口が吸い込んだのでしょうか？
正体は外膜の張力によって生み出された、高圧部から低圧部に圧力が均平化される際の作用です。

時の流れの早い空間を高圧、遅い方を低圧として考えると、つじつまが合いそうな気がします。
重力とは、その高圧から低圧に「何か」が向かう際、物質を押し込む作用ではないでしょうか？
低圧部に押し込められ堆積した物質は、さらに時の流れを遅くし連鎖的に低圧化し、重力を強めていく。

知識の狭い自分は、時の流れの違いのせいにすることでいろいろスッキリしてきました。
ＵＦＯは謎の技術で、前方に時の流れを遅らせた特異点を、連鎖的に発生させることで推進してるんだよ。とか。
斥力をもつダークエネルギーは、時の流れが異常に早いんだよ。とか。
重力レンズ効果の原理も空間の歪みじゃなくて、光の屈折みたいに、単純に時の流れが遅い方に曲がるんだよ。とか。
慣性の法則も、質量が大きいほど時の流れが遅くなるために、周りからの力に影響されにくくなるんだ。とか。
E=mc^2って実は、「熱　＝　物質（質量）　×　時　×　重力（押し込める力）」なんじゃね？とか。

いかがだったでしょうか？

回答No.5

Nakay702

天文学にこよなく関心を寄せる者です。

＞重力波は何故ブラックホールから出られるのですか？
⇒重力波はブラックホールから「出る」ものではなく、逆にそれを「包んでいる」もので、もともとその外側にあるから。宇宙空間は、その中にある物質の動きに応じて、その構造が常にうごめいているわけで、それを重力場といいますね。で、重力波とは、その重力場のうごめきが波の形をとって周辺へ伝播していく際の波動ですね。他方、ブラックホールの本体（中味）は何でしょう。それは、中性子や他の重粒子など高質量（サイコロ１つの大きさで何億トンとか、とにかくとてつもなく重い）の物質ですね。

＞その強力な重力波によってあらゆる物を引き込むと言われるブラックホール。
⇒引き込まれるものはすべて粒子でしょう。つまり、質量を持つ物質です。その最少単位と考えられるものが、クオーク（超粒子）ですね。光も、電磁波という波でありながら同時に粒子です。一方、重力波は、星の衝突などによって重力場がゆがめられ、その「空間のゆがみの揺れ」の持つエネルギーが波として伝播するものであって、粒子の性格は持たないと推測されます。gravitonが「重力子」と訳されるので錯覚を起こしやすいですね。（なお、gravitonとか重力子と言われるものの実体はまだ発見も解明もされていません。）

＞もっとも早く移動できる光さえも例外ではなく、そのために巨大でありながら真っ暗なのだといいます。
＞ところで、重力波の伝播スピードは光速以上ではないとききました。
⇒「真っ暗」なのは、外部から観察しても見えないという意味ですね。また、重力波の伝播速度と光速とは、基本的に同じだと思います。
ところで、ブラックホールは重力場を構成する要素の１つで、その逆ではありません。重力波の実体は何でしょうか？ それは、上に見たように文字通り「波」ですね。
重力は、重力場を構成して、それによって「ブラックホールをブラックホールたらしめている」わけですね。一方重力波は、重力場の変形の伝播です。ということで、「重力波はブラックホールに閉じ込められていて、そこから出てくる」ものではありません。

＞であれば、光が引き込まれてしまうブラックホールでは、重力波も引き込まれてしまうのでしょうか？
＞重力波もブラックホールに引き込まれてしまうなら、重力波が周囲に伝播できない事になり、周囲にある光も引き込まれないですよね？
＞ということは、「全てのもの」と言っても重力波だけは例外なのでしょうか？
⇒上述のとおり、重力波がブラックホールに引き込まれることはあり得ないことです。そもそも、「重力波がブラックホールに引き込まれる」という表現は、「自分が自分に引き込まれる」と言うのと同じで、ある種の自家撞着でしょう。
４つの力（重力・電磁力・強い力・弱い力）のうち、重力は別格です。だから、いまだGUT（大統一理論）に組み込まれていないんですね。（これを組み込むためにはある種パラダイムの変更が必要なのではないかと個人的には考えています。）

＞「重力波は重力波の影響を受けないのでしょうか？」
⇒？？？（意味不明）。なお、重力波は理論的な存在であって、現在まだ観測に成功していないそうです。

重力場とブラックホールの関係は、例えてみれば、重力場が「道」で、ブラックホールなどの物質はそこを通る「車」でしょうか。ただ、一般の道と車との関係と違う点は、宇宙では、「車」の移動に伴って「道」が刻々変化することです。そして、大々的に「道」が変動するとき、それが波として伝わるものが重力波というわけです。

回答No.4

satoumasaru

はじめまして。

＃１さんがおっしゃっているように重力波について勘違いをされていらっしゃいませんか？　重力波によって重力が伝わっているとお考えではないですか。

重力波は重力を媒介するものではありません。アインシュタインの一般相対論では重力は幾何学（空間のゆがみ）によってあらわします。ところがその中心の質量をもっている物体が加速度運動するためにその「空間のゆがみ」がさざ波のように空間を伝わっていく、これが重力波です。

ですから中心の物体が加速度運動しなければ重力波は発生しません。実際にはブラックホールの誕生のときにように重力が大きく変動するときであるとか、非常に近接した二つの中性子星が回転している場合とか、そのような時です。

たとえば電磁波がありますよね、電磁波は電気や磁気を加速度運動させたときに発生します。いくら強力な電気や磁気があったとしても、電場、磁場があるだけであり、それだけでは電磁波は発生しません。加速度運動することによりその波が空間を伝わっていくのです。

＃３さんがおっしゃられているとおり、一般相対論では重力は空間の幾何学となります。したがって、中心が何であれ、重力は空間の性質になっていますので、重力をうけることとなります。

回答No.3

Classified

質問のポイントは、光も出てこれないブラックホールの内側の質量がなぜ、こちら側に重力を及ぼすことができるのだろうか、ということでしょうか？

万有引力を遠隔作用説、つまり物体からなにかが空間を超えてこちらにやってきて引っ張っている、とみた場合、光も出てこれないブラックホールの内側からこっち側に作用が伸びてくるのか、と疑問になるかと思います。

いっぽうで別の考えがあります。　ゴム膜に重りをのせてへこんだを、重力で空間が曲がっている様子のモデルとして示しているのをご覧になった事があるかと思います。　
このように空間が曲がっていることこそ万有引力だとすると、それぞれの地点にとってはその地点での空間の曲がりが問題であって、その曲がりの中心がどうであろうと関係なくなります。
曲がりが強くて光さえ出られない領域ができてたって何の不都合もないという事だと考えます。

回答No.2

mpascal

過去の質問・回答です。
http://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question_detail/q1210157397

重力の起こす現象についてはニュートン、アインシュタイン等が説明していますが、重力（子）が何者であるかは、現在も未解明なのです。

超弦理論、ループ量子重力理論とう有力な理論はありますが、重力子を観測するには至っていないのです。

Ｗｉｋｉ 「量子重力論」
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%87%8F%E5%AD%90%E9%87%8D%E5%8A%9B%E7%90%86%E8%AB%96

回答No.1

Tacosan

「重力波」について 1 から調べ直すことをお勧めします.