重力崩壊について教えてください

質問

太陽の８倍以上の質量をもった星は、その進化の最終段階で中心核が重力収縮し、ついには重力崩壊するそうです。
この現象についてイメージが湧かないので、質問します。

１．重力崩壊の過程を観察しているとある瞬間から見えなくなるのですか？それとも徐々に小さくなってついに見えなくなるイメージでしょうか。
２．星を形成している物質（粒子）はどうなるのでしょうか？原子は原子として存在しているのですか？それとも素粒子などに分解されて存在するのでしょうか？
３．星を形成している物資はどこにゆきますか？別の次元にゆくのでしょうか？それとも見えないだけでそこに留まっていると考えていいのでしょうか。
４．重力崩壊した星の質量は変化しますか？質量保存の原則は守られますか？あるいはどんどん重くなってゆくのですか？
５．重力崩壊した星の大きさはどれくらいですか？ゼロですか？
６．重力崩壊した元の星に復活させることはできますか？ブラックホールから物質を取り出すことは可能でしょうか？

質問が多くてすみませんが、
よろしくお願いします。

回答No.4

satoumasaru · ベストアンサー

こんにちは、はじめまして。ブラックホールってとっても興味深いものですね。すでにいろいろの方からの回答がでていますが、若干の補足も含めて私の知っている範囲でお答えします。

＞１．重力崩壊の過程を観察しているとある瞬間から見えなくなる
＞のですか？それとも徐々に小さくなってついに見えなくなるイメ
＞ージでしょうか。

これは、観測している系によります。遠くから、重力が大変強力な空間を観測した場合、その空間の時間はは遅く観測されます。ですから、星が重力崩壊をおこして収縮する場合、シュワルツシルド半径に近づくにつれその収縮する速度は遅くなるように観測されます。どんどん暗くなってはいきますが、シュワルツシルド半径をこえて小さくなることを観測できません。シュワルツシルド半径をこえて小さくなるには無限の時間がかかるからです。もっとも波長はどんどん延びて電波でなければ観測はできないでしょうが。

ブラックホールという名称はジョン・ホイラーが1967年に言い出したのですが、それまではブラックホールのことを「凍結星」といっていたぐらいです。ついででいえば、最初クエーサーが発見されたとき、その赤方偏移があまりにもすごいため、これがオッペンハイマーのいっていた凍結星ではないかとの説がありました。

なお、星に対して自由落下する系から見た場合は、一瞬にして星は見えなくなります。

＞２．星を形成している物質（粒子）はどうなるのでしょうか？原
＞子は原子として存在しているのですか？それとも素粒子などに分
＞解されて存在するのでしょうか？

シュワルシルド解（アインシュタイン方程式を「回転なし、電荷なし、ゆがみなし」という条件で解いた厳密解）では、一方通行の球面（事象の地平線）ができ、その中心に物質の密度が無限大になる特異点が生じます。物質は事象の地平線を越えて特異点に落ちていくわけですが、強力な重力のため素粒子に分解されます。素粒子が特異点に落ちた場合どうなるか、これは現時点ではわかりません。

なお、一般相対論では量子論的効果を全く考慮していませんので、このようなミクロの特異点で重力が無限大のものが存在するのかどうかも正確なところはわかりません。

＞３．星を形成している物資はどこにゆきますか？別の次元にゆく
＞のでしょうか？それとも見えないだけでそこに留まっていると考
＞えていいのでしょうか。

これはわかりません。いろいろな時空の図が書かれたりしていますが、それを見る限り他の宇宙へいくという可能性はあるかもしれませんが、別の次元という解はないようですね。

また、ブラックホールとホワイトホールが「アインシュタイン＝ローゼンの橋」というワームホールでつながっているという説明もされています。しかしこの私達の宇宙ではブラックホールはほぼあると断定できるようですが、ホワイトホールらしいものは全く観測されていません。私達の宇宙はホワイトホールがない宇宙なのか、それともホワイトホールそのものがそもそもありえないのか何とも言えません。

＞４．重力崩壊した星の質量は変化しますか？質量保存の原則は守
＞られますか？あるいはどんどん重くなってゆくのですか？

ブラックホールになる時に強力な重力エネルギーを放出しますから若干軽くなるでしょう。質量保存の法則はともかく、エネルギー保存の法則は成り立ちますよ。また、ブラックホールになったあとは他の物質を吸い込むことにより、どんどん重くなっていきます。

＞５．重力崩壊した星の大きさはどれくらいですか？ゼロですか？

事象の地平線のおおきさのことでしょうか？　それともその中心にある特異点のことでしょうか？　特異点のことでいえば、シュワルシルド解を解く限りでは無限小となります。なお事象の地平線のおおきさはその質量によります。シュワルツシルド半径は、質量Ｍの天体の場合、半径２ＧＭ／Ｃ^2(Ｇは万有引力定数、Ｃは光速度、C^2は光速度の自乗)となります。

＞６．重力崩壊した元の星に復活させることはできますか？ブラッ
＞クホールから物質を取り出すことは可能でしょうか？

もともとの星にはならないでしょう。ただブラックホールは永遠に存在し続けるのではなく、べらぼうな時間がかかりますが粒子を放出して蒸発します。また回転しているブラックホールならば、その回転エネルギーを取り出すことは可能でしょう。

なお、ブラックホール蒸発説は定説となっています。この説をホーキングが撤回したということは寡聞にして聞いたことがありません。宇宙の無境界仮説の中で宇宙が収縮時に時間の矢が逆転するという説は撤回しましたが・・・。

回答No.3

sekisei

No1さんやNo2さんとかなりダブルかと思いますが・・。

重力崩壊は必ずしも太陽の８倍以上の星でしか起きないということはないようです。
例えば中性子星に外部か物質が供給されるなどがあります。
この場合はその質量が太陽の２倍を越えると重力崩壊するようです。

１
　星自身の崩壊は瞬間的ですが、それを充分に遠くから見てると次第に強い重力による効果で、見た目にはだんだん収縮が遅くなり明るさも暗くなっていくと思います。

２
　最終的には物質ではいられなくなり特異点という状態になると思います。
これは体積が０で密度が無限大という状態で、今知られている物理法則が対応できていないため詳しいことは判っていないと思います。
この辺は量子論やひも理論（M理論）でどうなっているかは勉強不足で知りません。

３
　元の星は大抵自転しているため重力崩壊に伴う収縮でその自転速度が速まります。
そのため赤道付近の物質は崩壊を逃れて周辺へ飛び散り、それ以外の物質は２の通りで特異点になります。

別の次元・・については別の空間にでられる解はあるようですがそれは通常の空間ですので次元は同じ（4次元）と思います。
別の空間に繋がっている解ですが、私たちがいる宇宙とは別の宇宙に繋がっているというものです。
また、その解に対してなんらかの機構が働いて他の空間への移動を禁止しているかも知れません。

４
　３の通りで一部は外部へ飛び散りますがその分も含めてしまうとほぼ保存されると思いますが、重力崩壊により重力エネルギーが解放されるためわずかに軽くなるかもしれません。

５
　No1さんと同じです。

６
　もとどおりには不可能だと思います。これは仮にブラックホールから物質が取り出せたとしてもブラックホールになった時点で元の星が持っていた特長のうち質量と電荷と角運動量（たしかこの３つ）だけになるためです。
元の星の元素構成や磁場の強さとかの情報がなくなってしまうためです。

物質を取り出せるかどうかについてはよく知らないのですが、エネルギーは取り出せます。

No１さんの最後の部分の蒸発論が撤回された件ですが、再来年くらいに加速器で人工ブラックホールを作る計画があるそうですが、どうなるのか気になります。
または、このURLの内容のことでしょうか。
http://www.lizard-tail.com/isana/review/view.php?search_id=20040616011756

回答No.2

macchan2

以下はあくまでも、素人情報ですので、誤りも含まれるでしょう。
＞１
重力崩壊は、瞬きするほどの時間で起きると聞きました。見えないでしょう。
＞２
ある例では、物質は、角砂糖の大きさに、全人類の肉体の質量が凝縮される場合があるとの事。原子は存在する隙間がないでしょう。多分。
ブラックホールではもっと密度が高まります。
＞３
わかりません
＞４
わかりません。
ただ、ブラックホールなどに近くの星から、ガスが吸い寄せられる場合は、質量が増すでしょう。
＞５
あくまで例としての目安ですが、半径です
白色矮星　１万ｋｍ
中性子星　１０ｋｍ
ブラックホール　３ｋｍ
＞６
復活するかどうかはわかりません。重力崩壊に伴う爆発で、かなりの量の物質が飛び散っていたら、そこから星間物質が生まれ、星に育つことはあるでしょう。

物質の取り出し、常識では無理です。取り出そうとする人や機械がせんべいのようになります。
ただ、あくまで素人の想像ですが、回転ブラックホールは、その中身が遠心力で赤道方向に膨らんでいます。一部が限界面から外に露出している場合があります。奇跡でも起きれば、ここから物質が外に出てこないとは限りません。宇宙は未知で、何が起こるかは人知を超えていますから。

想像を膨らませることは楽しいじゃないですか。

回答No.1

noname#13382

＞１．重力崩壊の過程を観察しているとある瞬間から見えなくなるのですか？それとも徐々に小さくなってついに見えなくなるイメージでしょうか。

重力崩壊は100分の1秒以内に収束するので、瞬間的に起きるように見えます。

＞２．星を形成している物質（粒子）はどうなるのでしょうか？原子は原子として存在しているのですか？それとも素粒子などに分解されて存在するのでしょうか？

星の外周部の物質は周りの空間に散らばりますが(超新星爆発)、内部の物質は素粒子→中性子(陽子と電子が衝突する) と変化します。
その先はまだよくわかっていません。
M 理論によればクオークに分解→ひもに分解 となるようです。

＞３．星を形成している物資はどこにゆきますか？別の次元にゆくのでしょうか？それとも見えないだけでそこに留まっていると考えていいのでしょうか。

外周部の物質は周りの空間に吹き飛ばされて星間物質や新しい星の材料になります。
内部の物質はブラックホールの内部に閉じ込められます。ブラックホールの内部がどうなっているのかはわかっていません。"yoshinobu_09" さんのおっしゃるように別の次元や宇宙へいくのかもしれませんね。

＞４．重力崩壊した星の質量は変化しますか？質量保存の原則は守られますか？あるいはどんどん重くなってゆくのですか？

吹き飛ばされた物質を除いた分の質量はすべて保存されます。星があったところに同じ質量の見えない穴(！）が存在するようになります。
その後回りの物質をどんどん飲み込んで行って質量は増えていきます。

＞５．重力崩壊した星の大きさはどれくらいですか？ゼロですか？

すべての質量が集まっている特異点の大きさは0ですから(自転していない場合。自転している場合はドーナツ型になると考えられています)、大きさ0ともいえます。しかし普通は事象の地平線の大きさで考えるようです。

＞６．重力崩壊した元の星に復活させることはできますか？ブラックホールから物質を取り出すことは可能でしょうか？

たぶん無理でしょう。最近ホーキング博士も「ブラックホール蒸発論」を撤回しましたし。
しかし、特異点の先は宇宙のどこかや別の宇宙につながっているのかもしれません。その場合そこから元の物質やエネルギーを取り出せそうですね。