はじめに — 光すら逃げられない天体
ブラックホールは、重力が極めて強く、光すら脱出できない天体だ。SF映画の定番モチーフだが、実在する天体であり、2019年にはEvent Horizon Telescopeによって初めてその「影」が撮影された。
本記事では、ブラックホールの仕組み・種類・発見の歴史を、専門知識がなくても理解できるように解説する。
ブラックホールの仕組み
事象の地平面（イベント・ホライズン）
ブラックホールの「表面」にあたるのが事象の地平面だ。この境界を越えると、いかなる物体も光も外に出ることができない。
事象の地平面の内側で何が起きているかは、外部から観測できない。これが「ブラック」と呼ばれる理由だ。
特異点
事象の地平面の中心には、密度が無限大の「特異点」があると考えられている。ブラックホールの全質量がここに集中する。ただし、物理法則が破綻する領域であり、量子重力理論の完成が必要だ。
シュヴァルツシルト半径
ブラックホールの事象の地平面の半径を「シュヴァルツシルト半径」と呼ぶ。太陽と同じ質量のブラックホールなら約3km、地球なら約9mmだ。
降着円盤
ブラックホールの周囲に物質（ガスや塵）が渦を巻くように集まったものが降着円盤だ。物質は高速で回転しながらブラックホールに落ち込み、摩擦で数百万度に加熱される。この輝きがX線として観測される。
ブラックホールの種類
恒星質量ブラックホール
太陽の約5〜100倍の質量を持つブラックホール。大質量星が超新星爆発を起こした後に形成される。銀河系内に約1億個存在すると推定される。
2015年、LIGOが2つの恒星質量ブラックホールの合体から発生した重力波を初検出した（GW150914）。各々太陽の約30倍の質量だった。
超大質量ブラックホール
太陽の数百万〜数十億倍の質量を持ち、ほぼすべての銀河の中心に存在する。天の川銀河の中心にはいて座A*（Sgr A*）があり、太陽の約400万倍の質量を持つ。
超大質量ブラックホールの形成メカニズムは完全には解明されていない。恒星質量ブラックホールの成長では説明できない速さで巨大化した可能性がある。
中間質量ブラックホール
太陽の100〜100万倍の質量を持つ、上記2つの中間に位置するブラックホール。長い間その存在が不確実だったが、近年の重力波観測で、太陽の約150倍のブラックホール合体が検出され、証拠が蓄積されつつある。
ブラックホールの撮影
M87* — 初の撮影（2019年）
Event Horizon Telescope（EHT）は、地球規模の電波望遠鏡ネットワークを使い、おとめ座銀河団M87銀河中心のブラックホールの影を撮影した。太陽の65億倍の質量を持ち、地球から約5,500万光年の距離にある。
オレンジ色のリングは降着円盤からの放射で、中心の暗い部分がブラックホールの「影」だ。
いて座A*（Sgr A*）— 天の川銀河の中心（2022年）
2022年、EHTは天の川銀河中心のSgr Aの撮影にも成功した。M87に比べ遥かに小さく（太陽の400万倍）、変動が速いため撮影は困難だったが、高度な画像処理技術で実現した。
ブラックホールの不思議
時間の遅れ
一般相対性理論により、強い重力場では時間の進みが遅くなる。事象の地平面に近づく物体は、遠方の観測者から見ると永遠に落下し続けるように見える。落下する本人にとっては有限の時間で事象の地平面を越える。
スパゲッティ化
恒星質量ブラックホールに近づくと、頭と足にかかる重力差（潮汐力）で体が引き伸ばされる。この現象を「スパゲッティ化（スパゲッティフィケーション）」と呼ぶ。超大質量ブラックホールでは潮汐力が弱く、事象の地平面を越えても即座にスパゲッティ化はしない。
ホーキング放射
スティーヴン・ホーキングが1974年に予測した理論で、ブラックホールは完全に「黒」ではなく、量子効果によりわずかに放射を出す。極めて長い時間をかけて、ブラックホールは蒸発する可能性がある。ただし実験的な検証はまだ行われていない。
まとめ
ブラックホールは、宇宙で最も極端な天体だ。その存在は一般相対性理論の予測から始まり、X線観測、重力波検出、そして直接撮影へと、検証が進んできた。2019年のM87*撮影は天文学の歴史的マイルストーンであり、今後はブラックホール近傍の物理現象のさらなる解明が期待される。
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