**記事の紹介
**疑わしいブラックホール
フランス語訳：
ブラックホールの存在に疑問を投げかける。
** ** 著者 :
ジャン＝ピエール・ピエット、マルセイユ観測所
| 科学 | jp-petit.com |
|---|---|
ピエール・ミディ、オルサーセンター。
この作業は10年間の努力の結果です。30年間、天体物理学者はただ一つの言葉を口にしていたのです。「ブラックホール」です。このテーマは一般の人々を惹きつけ、すでにいくつかの本がこのテーマに捧げられています。しかし、観測的な確認はまだ欠けています。「ブラックホールはその不在によって注目を浴びています」。しかし、宇宙は広大です。私たちの銀河だけでも100〜200億の星が存在しています。いくつかの物体の存在は観測によって確立されており、例えばクエーサーがその例です。現在では4000以上が知られています。それらを完全に理解しているわけではないのです。どのようにして形成され、どのように進化し、寿命はどのくらいなのか。実際には、それらについて何も知らないのです。ただカタログ化されているだけで、かつてメシエが観測していた「銀河」のようにです。明らかに、いくつかのクエーサーは銀河型の構造の中心に存在しています。このような銀河には「活動的な核」があり、これは何を意味するのか、あるいは何を意味しないのか、私たちには一切わかりません。例えば、その活動のエネルギー源などです。現代の天体物理学はこれで満足しています。次の質問に対して：
- クエーサーとは何か？
天体物理学者は答えます：
- 活動的な銀河の核である。
そして次の質問に対して：
- 活動的な銀河とは何か？
答えは：
- 中心にクエーサーを持つ銀河である。
数年前、私たちは「ガンマ線閃光」を発見しました。1日1つずつです。フランスの雑誌「Ciel et Espace（空と宇宙）」の表紙には、「ガンマ線閃光：謎がついに解明された」という見出しがありました。雑誌のコラムでは、その閃光の位置で小さな明るいスポットが観測されたと答えています。つまり、謎を解くとは、空の領域が閃光を発するだけでなく、光も発していることを知ることなのです...
これは少しくらい、残念ではありませんか？
一方で、観測される前からその存在が予測され、しばしば高い精度で予測された他の物体もあります。典型的な例は超新星です。1931年に米国の天体物理学者（スイス出身）フリッツ・ツヴィッキーがカリフォルニア工科大学（Caltech）で開催した有名な会議で、質量が太陽の20倍以上あるような非常に重い星は、数日以内に劇的な終焉を迎えると説明しました。この現象は約20日間続きます。これは驚くべき予測でしたが、当初は軽視されていました。しかしツヴィッキーは頑なに、最初の超新星を発見しました。現在では何百もの超新星が知られています。中性子星も同様で、これはパルサー（回転する中性子星）や白矮星として後に識別されました。この種もすでに何百もの個体が識別されています。
ブラックホールは問題に対する答えとして提案されました。つまり、ある「臨界質量」を超えた中性子星の運命です。明確に識別された中性子星は、陽子のない巨大な原子核に似ています。なぜこれらの物体は中性子だけから構成されているのでしょうか？
私たちは中性子星を、大質量星が爆発した後に残る鉄のコアと考えています。大質量星は、その一生の間にいくつかの種類の核融合が起こります。最終的には鉄が生成され、それ以上はどんな核融合反応にも参加できなくなります。この重い鉄は星の中心に沈み、火炉の灰のように見えます。星が突然燃料を失うと（ツヴィッキーが理解したように）、その星は秒速8万キロで自身に崩れ落ちます（正確さは1キロの誤差以内）。鉄のコアに衝突すると、このガスは強く圧縮されます。それだけでなく、いくつかの核融合反応が起こり、それらはもはや外部エネルギーを必要としなくなります。エネルギーは星自身の急激な収縮から得られます。様々な核種が生成され、その中には寿命が非常に変化する放射性原子が含まれます。1987年にマゼラン雲に存在する星Sanduleakの爆発は、このような現象の決定的な確認となりました（距離はわずか15万光年）。
この現象は鉄のコアを完全に潰します。その原子を移動させ、それほど強く圧縮されると、電子は核子の間を移動するための十分な空間がなくなります。捕らえられると、電子は陽子と結合して中性子とニュートリノを形成します。通常、ガスを圧縮するとき、圧力という現象が圧縮を妨げます。これは液体や固体でも同様です（すべてが圧縮可能）。これは若い星が生まれるときの現象です。プロト星は、自身に崩れ落ちるガスの塊です。しかし収縮するにつれて、温度が上昇し、圧力の力が収縮を制限します。これは悪い放射体ですが、星が本当に星になるためには、赤外線でエネルギーを放出する必要があります。しかし、もし質量が不十分であれば、「巨大な木星（この巨大惑星は太陽から受け取るエネルギー以上を放射しますが、星にはなりません）」になります。超新星の爆発が鉄のコアを圧縮すると、そのコアは大量のニュートリノを放出してエネルギーを放出します。ここではシナリオが完全に変わります。放射冷却は瞬時に起こるため、ニュートリノは簡単に逃げることができます。反対の圧力は存在しません。鉄の塊は悲惨に潰されます。残るのは中性子の塊で、通勤ラッシュの電車の中の日本人のように密に詰められています。なぜ臨界質量があるのか？中性子は最大値を超える圧力を耐えられないからです。まるで地下坑道に積まれた電球のように。ある段階で電球が多すぎると、ガラスが割れて、破片が坑道の底に落ちます。中性子星が太陽の2倍以上の質量を持つと、その中心の圧力が大きくなりすぎます。中性子はそれを受け入れられません。そのため、自身に崩れ落ちると考えられ、この「重力収縮」に物理的な現象は対抗できません。天体物理学者にとって悲観的な見通しです。爆発する前から、中性子星は「相対論的」であり、ニュートン的物体とは異なります。これは、質量m（例えば原子）の近くの「参照粒子」の軌道の様子を見ればわかります。空間と時間の曲がりが水星の楕円軌道の歳差を引き起こすことは知られています。しかし、この歳差は非常に小さく、しかし、以下の図はコンピュータ計算から得られたもので、中性子星のほぼ楕円軌道の大きな歳差を示しています。
したがって、中性子星をニュートン的な物質で説明することはできません。
計算プログラムは比較的単純で、いつか時間ができたら、サイトに載せて、皆さんに遊んでもらって、重力レンズ現象（ここでは非常に誇張されています）を示したいと思っています：
したがって、中性子星が臨界に達した運命を説明するためには、アインシュタインの「場の式」を使用する必要があります。
S = c T
T は「テンソル」と呼ばれ、局所的な「エネルギーと物質」の内容を記述します。テンソルは外側ではゼロで、内側ではゼロではありません。したがって、この2つの式から幾何学的な解を導き出す必要があります。
内側の場合：
S = c T
内側
S = 0
この種の式の解は「メトリック」と呼ばれます。しかし、物体の形は問いません。これらは「テンソル」であり、テンソルとは何かを理解するには、良い luck が必要です... 私には時間がかかりました。
太陽は「局所的な幾何学」に関連しており、これは2つの式の解です。1つは太陽の内部を記述し、もう1つはその周囲の空気を記述します。しかし、私たちは「理想的な太陽」、つまり一定の密度を持つ球体だけを記述できます。しかし、それほど悪いことではありません。これらの解には数学的表現があり、ここでは詳しく説明しません。それらはあなたに何の意味も与えません。それぞれが独自の「個人的な病的」な特徴を持っています。rn を星の半径、一定の密度 r とします。この密度 r と光速 c の値から、最初の特徴的な半径「R キャップ」を計算できます：
内部の幾何学的解は、「病的」ではない、つまり rn の値がこの臨界値より小さい場合に限ります。
同じデータで、2番目の特徴的な半径を計算できます：
これを「シュワルツシルト半径」Rsと呼びます。この外部の解は、一定の密度 r と一定の半径を持つ星の周囲の「空気」を記述します。この解は、「病的」ではない、つまり rn の値がこの特徴的な長さより大きい場合に限ります。両方を組み合わせると、次のようになります：
右辺の量は星の密度（10¹⁵〜10¹⁶ g/cm³）に依存します。一定の密度では、左辺の量は星の半径 Rn の3乗に比例して増加します。
これは太陽を一定の密度を持つ星として近似した場合に当てはまります。「病的」とは何を意味するのでしょうか？すべてです：ルートの中の量が負になること、分母がゼロになること。したがって、一定の密度を持つ星は、この種の定常的な解によって記述することはできません：
太陽のシュワルツシルト半径は3.7 kmです：これは rn よりもはるかに内側です。その半径が695,000 kmであることを知っているなら、計算してみることをお勧めします。2番目の臨界半径「R キャップ」ははるかに大きくなります。
太陽について話すと、図のスケールではシュワルツシルト半径（3.7 km）はただの点であり、R キャップは紙の外側に遠く離れています。上の図はより「亜臨界の中性子星」に焦点を当てています。
「臨界への上昇」はどのように行われるのでしょうか？一定の密度を持つ中性子の層を追加するだけでよいのです（中性子星は固体とは異なりますが、ほぼ圧縮不可能な液体の滴として比較されます）。
私たちは上の曲線を単に示された式を使って得ました。星の半径は増加しますが、シュワルツシルト半径がそれを追いかけます。そして、rn が「R キャップ」の値に達したとき、両者は一致します。すると、星の表面ではルートの中の量が負になり、分母がゼロになりますなど。これは臨界の数学的および幾何学的な翻訳です。これは単に、アインシュタインの式（右辺がゼロでない場合の内部）またはゼロ（外部）の組み合わせによる幾何学的解を使って星を記述することは不可能であることを意味します。この半径の特徴的な最大値は約20キロメートルです。中性子星の密度はこれによって計算できます。
しかし、宇宙人の中でもあまり知られていないことがあり、これは1940年代に実施された研究から導かれたものです：もう一つの臨界、今回は物理的な性質を持つ臨界が、星の半径がこの値に達する直前に現れます。これは非常に近い値で、わずかに5%小さいだけです。しかし、星の半径がこの値に達したとき、または同じことですが、質量が太陽の2倍に達したとき、星の中心の圧力は無限大になります。これは1940年代にトゥルマン、オッペンハイマー、ボルコフ（爆弾のオッペンハイマー）によって開発された「TOVモデル」に基づいています。
中性子星の中心からの距離に応じた圧力
**** さまざまな質量の物体に対して。
これは私たちにとって基本的なデータです。
中性子星の内部における圧力の変化、すなわち中心からの距離、さまざまな質量に対して：
...科学者たちは他の人々と同じように、答えられない質問には答えようとしないかもしれません。次の質問にどう答えればよいのでしょうか：
- ある点で圧力が突然無限大になるような環境では何が起こるのでしょうか？
しかし、誰もその質問をしたことはありません、少なくともそのようには。明らかに、誰も気づいていません。私が話した多くの宇宙論専門家はその側面を知らないのです。
「ブラックホールの物語」に戻りましょう。次のように言えます：不安定な中性子星の収縮現象は非定常的な現象です。したがって、上記の2つの式の全体に対して非定常的な解を構築しましょう。しかし、私たちはその方法を信用できる形で知らないのです。だから理論家たちは「外部解」に目を向けました（例えば、太陽の外側の幾何学を記述し、シュワルツシルト半径3.7 kmで「病的」になります）。
-
つまり、「太陽を取り除き」、この幾何学の性質を調べましょう。このような形で...
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しかし、これは空の宇宙を指しているのですか？！
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何も気にせず、何が起こるか見てみましょう...
この研究は、この条件下で「太陽質量のブラックホール」（直径3.7 km）に向かって落下する物体の放射的な軌道について始められました。変数 t は保持され、これは「外部観測者」、つまり消え去った太陽を見ている良い地球人にとっての時間です。発見されたのは、この時間で測定された各テスト粒子の落下時間は無限大になるということでした。しかし、テスト粒子に時計をつけると、それは有限の時間で物体の幾何学的中心に到達します。
理論家たちは次の視点を提案しました：
- この定常的な外部解は、新たな有用な用途を発見しました。実際、重力収縮は非常に短い時間（不安定な中性子星では約1万分の1秒）で起こります。しかし、外部観測者にとっては時間が無限に続くように見えるため、非常に非定常的な現象を記述するために定常的な解を使用することができます。
鳩がいないなら、鳩を食べる...
この考えに基づき、理論家たちはシュワルツシルト半径の表面を通過する物質がどうなるかを尋ねました。そして、上記のあらゆる悪夢が見つかりました。テスト粒子の時間は...純粋な想像でした。テスト粒子の速度は光速を超えました。それはタキオンとなり、その質量は...想像的、などなど。
一部の人々は（多くの本に載っているように）、「球体の内部では、変数 r が時間に変わり、変数 t が...半径方向の距離になる」とさえ提案しました。
メウドンの宇宙学者ジャン・ヘイドマンが言っていたように：
- 「ブラックホールについて話すときは、常識をロッカーに置いていく必要があります...」
このような状況で、もし常識を忘れる決心をしたなら、非合理の境界はどこにあるのでしょうか？どうやって「観測不可能な物理」を構築するのかを決めますか？それは「暗黒物質」の例です。暗黒物質については、毎日何十本もの論文が書かれています。誰もが私のサイトに広く発展した対応モデルを検討していません。しかし、一部の外国の研究者（中国、日本）はそれをすでに理解しているようです。
この分野には新しい情報があります。1988〜1989年に、私はModern Physics Letters Aに3本の論文を発表しました（サイトに再掲載されています）。この論文は、物理定数が変化し得る宇宙論の前例のないアイデアを発表しました。これは1993年に「再発見」されました。それ以来、Physical Review、Classical and Quantum Gravityなどの非常に選ばれた雑誌に多くの論文が掲載されています。すでに、「定数変動者」のグループがかなりの規模に達しています。一部の人々は私のサイトでこの研究を発見しました。多くの人が驚き、特にフランスという国が宇宙論や天文学（典型的にはドイツ、ロシア、アメリカ、イギリスの分野）で重要な革新を示したことがないことを知ったことに驚きました。親しみやすい形で連絡が取れました。中国人はユーモアを交えながら、「私たちはマルセイユの場所を見つけるために地図を下ろさなければならなかった」と言いました。そして、「この惑星の未知の地域を発見したような気分だった」と言いました。
なぜこの蛇足を書いたのでしょうか？私たちの考えでは、中性子星の中心での圧力の急激な増加は、物理定数を変化させ、宇宙とその双子との間の「超トルス的なブリッジ」を生み出すからです。これはさらに詳細な研究が必要なアイデアです。しかし、この事業で助けが必要な場合は、すでに境界を越えた「定数変動者」から来るかもしれません。現在のところ、私たちは唯一の「双子」です
自由落下する物体の半径方向の軌道についての研究が始まった。その対象は、これらの条件の下で「太陽質量のブラックホール」として知られる、直径3.7kmのものである。変数tは残された。これは、外部観測者が経験する時間、つまり、太陽を今さっき作り出した地球人によって観測される時間を指すものであった。発見されたのは、この時間によって測定された各テスト粒子の自由落下時間は無限大になるということだった。しかし、もし粒子に時計をつけていたなら、有限の時間で物体の幾何学的中心に到達したはずである。
理論家たちはしたがって次のような見解を提案した：
- この定常的で外部の解は、新たな、幸運な用途を見つける。実際、重力収縮は非常に短い時間（不安定化した中性子星では約1万分の1秒）で起こる。しかし、この現象は「外部観測者」には無限の時間に見えるため、定常的な解を用いて、非常に非定常的な現象を記述することが可能である。
もしトゥーラスがいなければ、ブラックバードを食べるしかない...
この考えに基づき、理論家たちは物質がシュワルツシルト面を越えたときにはどうなるのかを問うようになった。そしてそこでは、先に述べたすべての恐怖が現れた。粒子の時間は…完全な想像に過ぎなかった。粒子の速度は光速を越え、タキオンとなり、その質量は…想像的など、など。
ある者は（多くの本に載っている）、「球の内部では、変数rが時間に、変数tが…半径に変化する」と提案した。
パリ近郊メドンの宇宙学者ジャン・エイドマン氏（現在は退職）がよく言っていたように：
- 「ブラックホールについて話すときは、常識をコートルームに預けていかなければならない」
このような状況において、もし常識を忘れることに決めたなら、非合理の限界はどこにあるのか？どうやって「観測不可能な物理」を構築するのか？これは「暗黒物質」について語られるすべてのことと同様で、毎日何十本もの論文が書かれる。誰もが私のサイトで豊富に発展させた「双子モデル」に目を向けていない。しかし、中国や日本の研究者たちはすでにそのモデルに気づいているようだ。
この分野には新しいニュースがある。1988-89年に私は『Modern Physics Letters A』に3本の論文を発表し（サイトに再掲）、物理定数が変化しうる、いわゆる「光速c」を含む、画期的な宇宙論のアイデアを打ち出した。このアイデアは1993年に「再発見」された。以来、『Physical Review』や『Classical and Quantum Gravity』などの非常に選りすぐられたレビュー誌に多数の論文が掲載されている。すでにかなりの数の「定数変化者」がいる。彼らの一部はインターネット上の私の研究を発見した。多くの人々は驚き、フランスという国が宇宙論や天文学（典型的にはドイツ、ロシア、アメリカ、英国の分野）で重要な革新をもたらしたことがないことを知ったことにも驚いた。親切な態度で連絡が取れた。中国人は冗談を交えながら、「マルセイユの場所を調べるために地図を広げなければならなかった」と言い、世界の未知の地域を発見したような印象を持ったという。
なぜこのような脱線話をしたのか？私たちの意見では、中性子星の中心における急激な圧力増加が物理定数を変化させ、宇宙とその双子との間の「超トルス的なブリッジ」を生み出すからである。これはさらに研究が必要なアイデアである。しかし、この事業で助けが必要な場合は、すでに境界を越えている「定数変化者」から来るだろう。現在は私たちだけが「双子論者」であるが、それが常にそうであるとは限らない。
したがって、私たちの意見では、双子モデルの文脈は不安定化した中性子星のシナリオを完全に変えるはずである。しかし、私たちが対抗モデルを提示できる前に、ブラックホールの古典的なモデルを研究しなければならない。それがこの長い論文で行われている。すべてが「順序よく」扱われているわけではない。あるセクションでは、クラスカルの仕事に注意を払い、彼のアプローチの欠点を示した。
すべては動機づけられている。1960年にクラスカルは、初期モデル（「シュワルツシルト計量」）において、関係する球面上で光の速度がゼロであることに気づき、「この病」を治そうとした。
しかし、幾何学的解をどう扱うのか？他の解を発明できるのか？答えは「いいえ」である。私はこの論文が座標の選択の任意性を明確に示していると考える。本質的に、幾何学的解は「不変座標」であり、選ばれた座標に依存しない。石鹸の泡を想像してみよう。それは表面である。ある意味で、それは、泡内の一定圧力を打ち勝つために使われるエネルギーが、泡の表面全体で一定であることを表す場の式の解である。質問：
- 内部の過圧を支えることができる機械的な反応を示す表面とは何か？
答え：
- 球体である。
しかし、この球体は、その点を特定するために使われる座標系とは独立して存在する。今では、経度と緯度の座標系を使うことで、極の特異点を生じる。これらは「見かけ上の特異点」であり、実際にはそうではない。これらは座標の選択によって生じる特異点である。球体の場合、このような特異点は避けられない。以下の図は球体とその緯度経度座標系を示している。
注：球体をマッピングし、一つの極だけで2つのパラメータを持つマーキングシステムを付けることができる。以下の図を参照：
最初のマーキング、パラメータaの最初の曲線群は、球体をその点に接する直線を通る平面で切断することによって得られる。
これは、同じ点で球体に接する別の直線で同じ球体を切断することによって得られる第2の曲線群と組み合わされる。例えば、最初のものと直交する。
このようにマッピングされた球体は、唯一の特異点を隠す別の角度から見られる。
