50年前のホーキング博士の予想が覆された！

数学者たちは最近、極限ブラックホールが存在するかもしれないという証拠を示した。

これは、1973 年にホーキングらが提唱したブラックホール熱力学の第三法則と矛盾しています。

極限ブラックホールとは、ブラックホールの表面、あるいは事象の地平線における重力がゼロになる非常に特殊なケースです。表面は何も引きつけませんが、粒子がブラックホールの中心に押し込まれても、脱出することはできません。

さらに、ブラックホールの温度は表面重力に比例するため、表面重力がないということは、ブラックホールに温度がなく、熱放射を放射できないことを意味します。

これは、ブラックホールは完全に「暗い」のではなく、特定の方法でゆっくりとエネルギーを外側に放射し、それによって徐々に質量を失い、最終的には消滅する可能性があると提唱するホーキング放射理論と矛盾しています。

しかし、MITのクリストフ・ケーレ氏とスタンフォード大学のライアン・ウンガー氏は、このような状況が存在する可能性があることを数学的に証明しました。

さらに、彼らは、極限ブラックホールの存在が裸の特異点の存在につながるわけではないことも証明した。

ノーベル賞受賞者のペンローズは以前、自然界は裸の特異点の存在を許さないと提唱しました。なぜなら、その存在は宇宙の因果律を乱すからです。特異点近傍の空間領域では、因果律に反する振る舞いが起こり、時間と空間が局所的に無秩序になる可能性があります。

コロンビア大学の数学者エレナ・ジョルジ氏は次のようにコメントした。

これは数学が物理学に恩返しをした素晴らしい例です。

極限ブラックホールとは何ですか?

自然界のブラックホールの大部分は回転しています。

荷電物質がブラックホールに落ちると、角運動量保存則によりブラックホールの回転速度が増加し、ブラックホール自体も荷電されます。

理論上、ブラックホールが物質を吸い込むにつれて、その電荷と回転速度は無限に大きくなり、極端なブラックホールが形成されます。

極端なブラックホールの場合、ほんの少しの電荷を加えるだけでも事象の地平線が消え、裸の特異点が残ります。

さらに、その表面はもはや何も引き付けません。

1973年、ホーキング、ジョン・バーディーン、ブランドン・カーターは、極端なブラックホールは形成されないと提唱しました。

この法則は、ブラックホールの表面重力が有限の時間内にゼロに低下することはないというものです。3人の科学者は、ブラックホールの電荷や回転が限界に達するようなプロセスは、ブラックホールの事象の地平線を完全に消滅させる可能性があると考えています。

学界では、事象の地平線（つまり、裸の特異点）のないブラックホールは存在し得ないと一般的に信じられています。

さらに、ブラックホールの温度は表面重力に正比例するため、表面重力がなければブラックホールは温度を持たず、熱放射を放射することはできない。しかし、ホーキングは放射を放射することがブラックホールの本質的な性質であると提唱した。

1986年、物理学者のヴェルナー・イスラエルは、通常のブラックホールを使って極限ブラックホールの構築をシミュレートし、ブラックホールをより高速に回転させてより多くの電荷を運ぶように試みましたが、最終的な結論では、有限の時間内にブラックホールの表面重力を0に減らすことはできないことが示されました。

意図せずして証明の方法が見つかりました。

ケラー氏とアンガー氏自身は極限ブラックホールを研究していたわけではない。

荷電ブラックホールがどのように形成されるかを考えていたところ、彼らは思いがけず、極端に高い電荷を持つブラックホールを構成できることを発見しました。これは極端ブラックホールの重要な特徴です。

彼らは回転せず電荷もないブラックホールから始めて、それをスカラー場の中に置いた場合に何が起こるかをシミュレートした。

彼らは磁場パルスを用いてブラックホールに衝撃を与え、その電荷を増加させました。このパルスはブラックホールに電磁エネルギーを与え、質量も増加させました。

拡散低周波パルスを放射することにより、ブラックホールの質量 (M) の増加率をブラックホールの電荷 (q) の増加率よりも大きくすることが可能です。

分類によれば、|q|=M の場合、極限ブラックホールの形成を表し、|q|=M の場合、非極限ブラックホールを表します。

質量の増加率が電荷の増加率を上回る場合、ブラックホールは準極限状態から極限状態に移行する可能性があることを意味します。

この論文では、新しい特徴接着法を提案するだけでなく、ブラックホールの内部構造を構築する方法を示し、通常の初期データから始まる重力崩壊やブラックホール外部の幾何学的構造など、ブラックホールの形成と進化のプロセスを分析しています。

ただし、数学的手法を用いて極限ブラックホールの存在が証明されているとしても、必ずしも極限ブラックホールが存在することを意味するわけではないことに注意する必要があります。

理論上の例では電荷が最大となるが、人類は明確に電荷を持つブラックホールをまだ観測していない。高速で回転するブラックホールが見つかる可能性が高いため、ケラー氏とアンガー氏はブラックホールの回転速度が限界に達するモデルも構築したいと考えている。

しかし、そのようなモデルを構築するには、さらに大きな数学的課題が伴います。彼らは研究を始めたばかりです。

ケラー氏とアンガー氏は長年、数学的手法を用いてブラックホールの秘密を探ろうとしてきた。

2023年、ケラー教授とエレナ教授をはじめとする研究者たちは、1000ページに及ぶ研究を通して、ゆっくりと回転するブラックホールは数学的に安定していることを証明しました。これは一般相対性理論の検証において重要です。なぜなら、ブラックホールが数学的に不安定であれば、基礎理論に問題があることを意味する可能性があるからです。

△ 左がケラー氏、右がアンガー氏です。

今年発表された最新の研究は、ホーキングの予想を覆しただけでなく、一般相対性理論、量子力学、超弦理論などの最先端の研究分野に新たな知見を提供した。

参考リンク:
https://www.quantamagazine.or...