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対する疑念
著者：
ジャン＝ピエール・プティ、マルセイユ天文台
| 科学 | jp-petit.com |
ピエール・ミディ、オルセーCRI。
本論文は10年間の努力の成果を表しています。過去30年間、天体物理学者たちは「ブラックホール」という言葉しか口にしないほどでした。このテーマは一般大衆を魅了し、すでにいくつかの書籍が出版されています。しかし、観測による確認はいまだ欠けており、ブラックホールは「不在によって輝いている」のです。
それにもかかわらず、宇宙は広大です。私たちの銀河だけでも、少なくとも1000億から2000億の星を含んでいます。
クエーサーなど、いくつかの天体の存在は観測によって証明されています。現在、4000個以上が知られています。しかし、これらの天体を完全に理解しているわけではありません。どのように形成され、どのように進化し、寿命がどれくらいなのか、実際には何も分かっていません。それらは、天文学者メシエの時代に「星雲」が分類されたのと同じように、ただカタログ化されているだけです。
一部のクエーサーは銀河型の構造の中心に存在しているようです。これらの銀河は「活動的な核」を持っており、これはあらゆる意味と無意味を同時に含み得るものです。活動の本質や、そのエネルギー源が何であるかについては、何も分かっていません。
現代の天体物理学は、わずかな知識で満足しているようです。
「クエーサーとは何か？」という質問に対し、
天体物理学者はこう答えます。
「活動銀河の核です」
そして「活動銀河とは何か？」という質問に対し、
彼はこう答えます。
「中心にクエーサーを持つ銀河です……」
数年前、「ガンマ線バースト」が発見され、毎日1回観測されています。フランスの雑誌『シエル・エ・エスパス（Sky and Space）』の表紙には、「ガンマ線バースト：ついに解明された謎」という見出しが載ったことがあります。雑誌の欄外での回答はこうでした。「検出されたガンマ線バーストの位置に、小さく明るい斑点が観測された」というものです。つまり、謎を解明するとは、バーストを放つ天域が光も放っていることを知ることを意味するのです……。
それは少し……貧弱ではないでしょうか？
逆に、観測される以前から、しばしば高い精度で存在が推測されていた他の天体もあります。典型的な例は超新星です。1931年、アメリカの天体物理学者（スイス出身）フリッツ・ツビッキーが、米国カリフォルニア工科大学での有名な会議でこれを記述しました。ツビッキーは当時、十分に巨大な星、例えば太陽質量の20倍以上の質量を持つ星は、数日間で急激に増光し、全体で約20日間続く激しい終末を迎えるはずだと説明しました。これは素晴らしい予測でしたが、当時は真剣に受け止められませんでした。しかし、粘り強いツビッキーは最初の超新星を発見しました。現在では数百個が知られています。中性子星についても同様で、その後パルサー（回転する中性子星）や白色矮星として同定されました。この種も数百個が確認されています。
ブラックホールは、ある問題への答えとして提案されました。「ある『臨界質量』を超えた中性子星はどうなるのか？」という問題です。明確に同定されているこれらの中性子星は、陽子を持たない巨大な原子核のようなものです。なぜこれらの天体は中性子のみで構成されているのでしょうか？
中性子星は、巨大な星が爆発した後に残った鉄の核であると考えられています。巨大な星とは、その生涯において複数の種類の核融合が起こる星です。最終的に鉄を生成しますが、鉄はこれ以上の発熱的な核融合反応には参加できません。この重い鉄は、暖炉の灰のように星の中心へ落下します。星が突然燃料を切ると（ツビッキーが理解していたように）、それは自身へと崩壊し、秒速8万キロメートル（もちろん、秒速1キロメートル程度の誤差はあります）で収縮します。鉄の核に落下するガスは強く圧縮されます。跳ね返るだけでなく、いくつかの核融合反応も生じますが、これらは星の急激な自己収縮からエネルギーを得るため、もはや発熱的である必要はありません。あらゆる種類の核種が生成され、その中には寿命が極めて多様な多くの放射性原子が含まれます。1987年、マゼラン雲にある星サンデュレックの爆発は、こうした現象の存在を明確に確認させました（わずか15万光年先のことです）。
この現象は鉄の核を完全に押し潰し、原子を分解します。核は自身へと極度に圧縮され、電子は核子間を移動するのに十分な空間を持たなくなります。閉じ込められた電子は、陽子と結合して中性子とニュートリノになります。
通常、ガスを圧縮すると、圧力という現象が圧縮に対抗します。これは液体や固体にも当てはまります（すべては圧縮可能です）。若い星が生まれるときもこれと同じことが起こります。原始星は、自身へと収縮するガスの塊です。しかし、その過程で加熱され、圧力の力が収縮を制限します。原始星は放射効率が悪いですが、真の星になるために十分に収縮するには、赤外線としてエネルギーを放射して失う必要があります。しかし、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るエネルギーよりも多くのエネルギーを放射し続けていますが、決して星にはなりません）になります。
超新星の爆発が鉄の核を圧縮するとき、核は膨大な量の……ニュートリノを放出してエネルギーを逃がします。ここでシナリオは完全に変わります。ニュートリノは容易に脱出できるため、放射冷却は瞬時に起こります。したがって、対抗する圧力は存在しません。鉄の塊は哀れなほどに押し潰されます。残るのは、満員電車の乗客のように互いに押し付け合った中性子の山だけです。
なぜ臨界質量があるのでしょうか？ 中性子は最大値を超える圧力に耐えられないからです。坑道に積み上げられた電球のようなものです。あるレベルを超えるとガラスが割れ、割れたガラスの山が坑道の底に落ちます。
中性子星の質量が太陽質量の約2倍をやや超えると、その中心部の圧力は大きくなりすぎます。中性子はこれに耐えられなくなります。その後、自身へと崩壊し、既知の物理現象ではこの「重力崩壊」に対抗できないとされています。天体物理学者にとって、これは憂鬱な見通しです。
中性子星は爆発する以前から「相対論的」であり、「ニュートン的」な天体とは異なります。これは、質量m（例えば原子）の近くの「基準粒子」の軌道の様子からわかります。時空の曲率現象が水星の楕円軌道の歳差運動を引き起こすことは知られていますが、その歳差は微小です。しかし、以下の図はコンピュータ計算に基づいており、中性子星の周りの準楕円軌道の重要な歳差運動を示しています。
したがって、中性子星を「ニュートン的な素材」で記述することは不可能です。
計算プログラムは比較的単純であり、時間があるときにサイトをアップロードして、遊べるようにし、重力レンズ現象（以下の図では極端に誇張されています）を示そうと思います。
したがって、臨界状態に達する中性子星の運命を記述する問題であるため、アインシュタインの「場方程式」を使用する必要があります。
S = c T
T は「局所的な『物質エネルギー』の内容」を記述する「テンソル」です。テンソルは外部ではゼロ、内部ではゼロではありません。したがって、幾何学的な解は2つの方程式から導き出されなければなりません。
内部については：
S = c T
外部については：
S = 0
この種の方程式の解は「計量」と呼ばれます。しかし、物体がどのような形を取るかに関係ありません。それらは「テンソル」であり、テンソルが何かを理解するには、ご健闘を……私はかなり時間がかかりました。
太陽は局所的な「幾何学」と関連付けられており、これは2つの方程式の解です。1つ目は太陽の内部を記述し、2つ目はその周囲の真空を記述します。しかし、私たちは密度が一定の物質で満たされた球体からなる「理想太陽」のようなものしか記述できません。しかし、何もないよりはマシです。これらの解には数学的な表現がありますが、ここでは詳しく述べません。あなた方には意味をなさないでしょう。それぞれに独自の「個人的な病理」があります。星の半径をrn、密度を一定のrとしましょう。この密度rと光速cの値から、最初の特性半径「R circumflex」を計算できます。
内部の幾何学的な解は、半径rnの値がこの臨界値より小さい場合にのみ、「非病理的」です。
同じデータから、2番目の特性半径を計算できます。
これは「シュワルツシルト半径」Rsと呼ばれます。密度rと半径が一定の星の周囲の「真空」を参照する外部の解は、星の半径rnの値がこの特性長より大きい場合にのみ、非病理的です。両者を組み合わせると、以下が必要になります。
右側の量は星の密度（立方センチメートルあたり10^15から10^16グラム）に依存します。密度が一定の場合、左側の量は星の半径Rnの3乗に比例して増加します。
これは、第一近似として密度が一定の星とみなされる太陽にも有効です。「病理」とは何を意味するのでしょうか？ すべてです：根号内の量が負になること、分母がゼロになることなどです。したがって、密度が一定の星は、以下のタイプの定常解では記述できないことがわかります。
太陽の「シュワルツシルト半径」は3.7 kmです：（rn の）はるかに内側です。太陽の半径が695,000 kmであることを考慮すれば、2番目の臨界半径「R circumflex」の値の方が大きいことは、計算して楽しんでください。
もしこれが太陽の話であれば、図のスケールではシュワルツシルト半径（3.7 km）は単なる点であり、半径「R circumflex」は用紙の外へはみ出します。上記の図は、より「臨界未満の中性子星」を指しています。
「臨界への上昇」はどのように起こるのでしょうか？ 密度が一定のまま中性子の層を追加するだけです（中性子星を、固体でなくとも、実質的に非圧縮性の流体の滴とみなします）。
上記の曲線は、示された公式を使用するだけで得られます。星の半径は増加しますが、「シュワルツシルト半径」がそれに追いつきます。そして、rnが「R circumflex」の値に達したとき、両者は出会います。その後、星の表面では、根号内の量が負になり、分母がゼロになるなどします。これは臨界状態の数学的・幾何学的な翻訳です。つまり、アインシュタイン方程式から得られた幾何学的な解（右辺がゼロでない内部用、またはゼロである外部用）のいずれか、あるいは両方を組み合わせても、星を記述することが不可能であることを意味します。この半径の最大特性値は約20 km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」の間でもあまり知られていないことが1つあります。1940年代の研究に由来するものですが、星の半径がこの値に達する直前に、今度は物理的な性質を持つ別の臨界状態が現れます。これは非常に近い値で、わずか5%小さいだけです。しかし、星の半径がそれに達したとき、あるいは同じことですが、質量が太陽質量の2倍の値に達したとき、1940年代にトルマン、オッペンハイマー、ヴォルコフ（爆弾のオッペンハイマー）によって開発された「TOV」モデルにより、星の中心での圧力は無限大になります。
中性子星内部の圧力：中心からの距離と、異なる天体質量の値に対する関係
これは私たちにとって根本的なデータです。
以下は、異なる質量に対する中性子星内部の圧力の進化を、中心からの距離に対して示したものです。
……もしかすると、科学者も他の人々と同じく、答えが出せないと思っている質問を自分自身に投げかけないのかもしれません。
「ある環境で、ある時点で圧力が突然無限大になった場合、何が起きるのか？」
という質問に、どう答えればよいのでしょうか？
しかし、少なくともそのように質問した人はいませんでした。どうやら誰も気づかなかったようです。私が話した多くの宇宙論の専門家は、この側面を知らなかったのです。
「ブラックホールの物語」に戻りましょう。こう言えます：不安定化した中性子星の収縮現象は非定常現象です。したがって、上記の2つの方程式の系に対する非定常解を構築しましょう。しかし、私たちは信頼できる方法でそれを行う方法を知りません。そこで理論物理学者たちは「外部解」（例えば、太陽の外部の幾何学を記述し、3.7 kmのシュワルツシルト半径で「病理的」になるもの）へと向かいました。
- つまり、「太陽を取り除き」、この幾何学の性質を探求しようということです。そのようにして……
- しかし、それは空の宇宙を参照する解ではないですか？！
- 気にしないで、何が得られるか見てみましょう……
研究は、これらの条件の下で「太陽質量のブラックホール」となるもの、すなわち直径3.7 kmの物体へ自由落下する物体の動径軌道について始まりました。変数tは保持され、「外部の観測者」、すなわち今まさに消し去った太陽を見ている良き地球人が経験する時間を参照する意図でした。各試験粒子の自由落下時間は、この時間に照らして測定すると無限大になることが発見されました。しかし、もしその粒子に時計を取り付けた場合、有限の時間で物体の幾何学的中心に到達します。
したがって、理論物理学者たちは以下のビジョンを提案しました。
- この定常的な外部解は、新たな、まさに天恵のような用途を見出します。実際、重力崩壊は非常に短い期間（不安定化した中性子星で約1万分の1秒）で起こります。しかし、現象が「外部の観測者」には無限の時間続くように見えるため、定常解を用いて、明らかに非定常な現象を記述することができます。
- ヒワがいないなら、クロウタドリを食べるしかない……
このアイデアを起点に、理論物理学者たちは、物質がシュワルツシルト面を通過したときに何が起きるのかを自問し始めました。そして、前述したすべての恐ろしいものを見出しました。粒子の時間は……純粋な想像になりました。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……虚数などになります。
中には、球体の内部では、変数rが時間に変換され、変数tが……動径距離に変換されるとさえ提案する者もいます（多くの本で見られます）。
現在退職しているムードンの宇宙学者ジャン・ハイドマンは、かつてこう言いました。
- 「ブラックホールの話をするときは、常識をコート掛けに置いてこなければならない……」
このような条件下で、もし常識を忘れることに決めれば、不合理の限界はどこにあるのでしょうか？ 「観測不可能なものの物理学」を構築することをどう決めるのでしょうか？ これは「暗黒物質」の場合であり、それについてはあれこれ言われ、書かれており、しばしば1日に数十本の論文が発表されています。誰も、私のサイトで豊富に展開されている双子モデルを検討していないようです。しかし、一部の外国の研究者（中国、日本）はうまく拾い上げているようです。
この分野にはニュースがあります。88-89年、私は『Modern Physics Letters A』に3本の論文を発表しました（サイトにも再録されています）。これは、神聖視される光速cを含む物理定数が変動し得るという、前例のない宇宙論のアイデアを打ち出しました。このアイデアは1993年に「再発見」されました。以来、『Physical Review』や『Classical and Quantum Gravity』などの非常に選抜性の高いレビューで多数の論文が発表されています。すでに相当数の「定数変動論者」のグループが存在します。その中には、インターネットサイトで私の仕事を見つけた者もいます。多くは驚愕し、さらにその仕事がフランスから出たという事実に、より一層驚きました。フランスは、宇宙論、あるいは天体物理学（典型的にはドイツ、ロシア、アメリカ、イギリスの分野）における重要な革新で注目を集めたことがない国だからです。接触は非常に友好的な形で確立されました。中国人はユーモアを交えて、マルセイユの場所を見つけるためにアトラスを取り出す必要があり、「地球の未知の地域を発見したような印象を受けた」と言いました。
なぜこの脱線をするのでしょうか？ 私たちの意見では、中性子星の中心での目眩くような圧力増加は、物理定数を変化させ、宇宙とその双子の間に「超トーリック・ブリッジ」を創り出すべきだと考えるからです。これはさらなる研究が必要なアイデアです。とはいえ、もしこの試みで助けが必要であれば、それはすでに一線を越えた「定数変動論者」から来る可能性が最も高いでしょう。現時点では、私たちは唯一の「双子論者」ですが、状況は必ずしもそのままでないかもしれません。
したがって、私たちの意見では、双子の文脈は不安定化した中性子星のシナリオを完全に劇的に変えるはずです。しかし、対抗モデルを提案できるようになる前に、ブラックホールの古典モデルを研究しなければなりません。これがこの長い論文で行われていることです。物事は「順序通り」には扱われていません。あるセクションでは、クラスカルの仕事を慎重に検討し、そのアプローチの欠陥を示しました。
すべてには動機があります。1960年、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、問題の球面、すなわち「事象の地平線」、別名シュワルツシルト球面上で光速がゼロになることに気づき、この「病気を治す」ことに取りかかりました。
しかし、幾何学的な解に対してどのように作業するのでしょうか？ 他の解を発明することはできるのでしょうか？ 答えはノーです。私は、座標選択の恣意的な性格をこの記事が明確に示していると考えています。本質的に、幾何学的な解は「不変座標」であり、選択された座標に依存しません。シャボン玉を想像してください。それは表面です。ある意味では、バブル内部の一定の圧力に対抗するために張力に使用されるエネルギーが、その表面全体で一定であるという事実に相当する場方程式の解です。
「内部過圧を支えるように機械的に反応する表面は何か？」
という質問に対し、
「それは球体です」
と答えます。
しかし、この球体、*幾何学的な対象*は、その点を特定するために使用される座標系とは独立して存在します。子午線と緯線の系を使用すると、極の奇異点、すなわち実際には奇異ではないのに*見かけ上奇異*な点を作成することが知られています。これらは座標の選択によって誘発される特異点です。ちなみに、球体の場合、これらの特異点は不可避です。下の図は、球体とその緯度経度座標のマッピングシステムを示しています。
備考：1つの極のみを使用して、2つのパラメータを持つマッピングシステムで球体をマップできます。以下の図を見てください。
最初のマーカー、球体の1点に接する直線を通る平面で球体を切ることで得られる、パラメータaの第1の曲線族
これは、同じ球体を、例えば最初の直線に直交する、同じ点で球体に接する別の直線に沿って切ることで得られる第2の曲線族と組み合わされます。
このようにマップされた球体を、唯一の特異点を隠す別の角度から見たもの。
