大栗博司
史上初、物質も光もすべて飲みこむブラックホールが撮影されました。イベント・ホライズン・テレスコーププロジェクトのみなさん、おめでとうございます！
SFなどではおなじみ、宇宙に関心のない人でも知っている「ブラックホール」。でも実は、これまで、その存在が直接確かめられたことはありませんでした。
今回の撮影によって、約100年前に発表されたアインシュタインの一般相対性理論が証明されたとはどういうことなのか？ 撮影された画像の黒い穴が「事象の地平線（イベント・ホライズン）」と呼ばれるのはどうしてなのか？ ブラックホールが撮影されると、これから何が分かるのか？
物理学者で東京大学カブリIPMU機構長・大栗博司さんの著書『重力とは何か』から抜粋して解説します。＊ ＊ ＊
アインシュタインにも予想されていたブラックホールの存在
ニュートン理論が水星の動きを正確に説明できなかったのと同じように、アインシュタイン理論にも説明のできない「極限状況」が存在します。その一つが、「ブラックホール」です。これから説明していきますが、ブラックホールは、アインシュタイン理論からその存在が予想されたにもかかわらず、その理論の行き止まりを示すことになりました。
ただしブラックホールの問題は、アインシュタイン理論が登場してから始まったわけではありません。「ブラックホール」という名前こそなかったものの、光さえも逃れられないほど重い星があることは、ニュートン理論からも予想されていました。
18世紀の終わりにそれを指摘したのは、イギリスのジョン・ミッチェル（鉛の玉のあいだの重力を測定したキャベンディッシュの実験を考案した人でもあります）とフランスのピエールシモン・ラプラス（本書の後半の「ラプラスの悪魔」の話で再登場します）という二人の科学者です。質量が大きいほど、重力は強い。だとすると、ものすごく重い星があれば、そこからは光の速さでも脱出できないだろう。光が出てこないのだから、その星は暗くて見えないはずだ――というわけです。
まず、「脱出速度」について説明しておきましょう。
ある星の表面からロケットを打ち上げる場合、その速度が足りないと、星の重力に負けてしまうので「脱出」できません。重力が強いほど、より速い速度で打ち上げる必要があります。その星の重力を振り切って飛び出すために最低限必要な速度――それが「脱出速度」です。
脱出速度は、その星の質量と半径によって決まります。たとえば地球の場合、表面からの脱出速度は秒速11キロメートル。時速にすると4万キロメートル弱ですから、大変なスピードです。しかし脱出速度は星の質量が大きいほど大きくなるので、仮に太陽から脱出しようと思ったら、その程度では済みません。表面からの脱出速度は、秒速620キロメートルです。
ちなみに脱出速度は、星の質量が同じなら半径が小さいほど（つまり星の密度が高いほど）大きくなります。ですから、光速でさえ脱出できない星があるとすれば、それはきわめて密度が高いものでなければいけません。
では、それはどんな天体なのか。
アインシュタインが方程式を間違えたりしながら苦労して重力理論を完成させた直後に、その方程式を使って、ある計算をした人物がいました。ゲッチンゲン大学の天文台長を務めたこともある天体物理学者カール・シュワルツシルトです。
1914年に第一次世界大戦が勃発し、シュワルツシルトはドイツ軍の砲兵技術将校としてロシア戦線に従軍しました。このような悪条件にもかかわらず、1915年11月に発表されたアインシュタインの論文を読み、ただちに重力の方程式を解いて、脱出速度が光速になる天体の半径を割り出しました。アインシュタインは自分の方程式がそんなに簡単に解けるとは思っていなかったので、戦場から論文を受け取って驚いたそうです。
シュワルツシルトの論文は、翌年の1月にプロイセン科学アカデミーで、アインシュタインが代読しています。彼は従軍中にかかった病気のためその5カ月後に亡くなり、その半径は「シュワルツシルト半径」と名づけられました。
その半径は、天体の質量によって決まります。たとえば地球の場合、シュワルツシルト半径は9ミリメートル。地球の質量を維持したまま、サイコロ程度のサイズまで圧縮すると、光が脱出できなくなるのです。太陽のシュワルツシルト半径は、3キロメートル。常識では想像もしにくいほどの密度の高さです。
この半径は、その100年以上前にミッチェルとラプラスがニュートン理論から計算したものと、ぴったり一致していました。シュワルツシルトの解を使って導くほうが厳密ではありましたが、ブラックホールの大きさについては、ニュートン理論とアインシュタイン理論は同じ答えを与えたのです。
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