「ブラックホールは光さえも脱出できない」と聞いたことがある人は多いでしょう。
しかし、1974年にイギリスの物理学者スティーヴン・ホーキングが驚くべき理論を発表しました。
それは、ブラックホールが実は放射を出していて、ゆっくりと蒸発していくというものです。
この記事では、ブラックホールの蒸発理論（ホーキング放射）について、中学生にも分かるようにやさしく解説していきます。
ブラックホールの蒸発理論とは
ブラックホールの蒸発理論とは、ブラックホールが「ホーキング放射」と呼ばれる熱的な放射を出して、徐々に質量を失い、最終的には完全に蒸発して消えてしまうという理論です。
1974年にスティーヴン・ホーキング（1942～2018）が提唱しました。
スティーヴン・ホーキングとは
ホーキングは、ALS（筋萎縮性側索硬化症）という難病と闘いながら、車椅子で研究を続けた著名な物理学者です。
彼の主な業績は、1963年のブラックホールの「特異点定理」と、1974年の「ホーキング放射」の理論です。
なぜ驚きなのか
それまでの一般相対性理論（アインシュタインの理論）では、ブラックホールからは光すら抜け出せないとされていました。
つまり、ブラックホールは完全に「黒い」天体だと考えられていたのです。
しかし、ホーキングは量子力学（原子や素粒子のレベルで起こる現象を説明する理論）の効果を考えることで、ブラックホールが実は放射を出していることを示しました。
ホーキング放射とは
ホーキング放射は、ブラックホールから出る熱的な放射のことです。
「ベッケンシュタイン・ホーキング輻射」と呼ばれることもあります。
ヤコブ・ベッケンシュタインが「ブラックホールは熱的な特性を持つだろう」と予言し、それをホーキングが理論的に証明したためです。
熱的な放射とは
熱的な放射とは、温度を持つ物体が出す電磁波（光）のことです。
例えば、熱いストーブは赤外線を出しますし、太陽は可視光線や紫外線を出しています。
ホーキングは、ブラックホールも温度を持っており、その温度に応じた熱放射を出していることを示しました。
ホーキング放射の仕組み
ホーキング放射がなぜ起こるのか、そのメカニズムを説明します。
量子力学的な真空のゆらぎ
量子力学では、何もない真空の空間でも、実は粒子と反粒子のペア（対）が絶えず生まれては消えています。
これを「真空のゆらぎ」と呼びます。
通常、生まれた粒子と反粒子はすぐに出会って消滅してしまうため、私たちには見えません。
事象の地平面とは
ブラックホールには「事象の地平面」という境界があります。
この境界を超えると、光さえも脱出できなくなります。
事象の地平面は、ブラックホールの「表面」のようなものです。
粒子・反粒子の対生成
事象の地平面の近くで、粒子と反粒子のペアが生まれたとします。
通常ならすぐに出会って消滅するはずですが、ここで特別なことが起こります。
ペアの片方（反粒子）が事象の地平面の内側に落ち込み、もう片方（粒子）が外側に逃げ出すのです。
ブラックホールの質量が減る
事象の地平面の内側に落ち込んだ反粒子は、「負のエネルギー」を持っています。
負のエネルギーがブラックホールに加わることで、ブラックホールのエネルギーは減ります。
質量とエネルギーは等しいので（アインシュタインのE=mc²）、ブラックホールの質量も減ります。
外から見ると
遠くから見ると、まるでブラックホールが粒子を放射しているように見えます。
これがホーキング放射です。
この放射が続くことで、ブラックホールは少しずつ質量を失い、最終的には完全に蒸発してしまいます。
ブラックホールの温度
ブラックホールは温度を持っています。
その温度は、ブラックホールの質量によって決まります。
温度の公式
ブラックホールの絶対温度Tは、以下の式で表されます。
T = 質量に反比例
つまり、質量が小さいブラックホールほど、温度が高いのです。
実際の温度
例えば、太陽の数倍の質量を持つブラックホールの場合、温度は数千万分の1K（ケルビン）程度です。
これは、宇宙背景放射の温度（約3K）よりもずっと低い温度です。
そのため、通常の恒星質量クラスのブラックホールでは、ホーキング放射の効果は無視できるほど小さいです。
小さいブラックホールほど熱い
逆に、非常に小さいブラックホール（例えば陽子質量程度）では、温度が非常に高くなります。
そのようなブラックホールでは、ホーキング放射の効果が強く働きます。
ブラックホールの蒸発時間
ブラックホールが完全に蒸発するまでには、どれくらいの時間がかかるのでしょうか。
蒸発時間の公式
ブラックホールが蒸発するまでの時間は、ブラックホールの質量の3乗に比例します。
つまり、質量が大きいブラックホールほど、蒸発にかかる時間が長いのです。
恒星質量ブラックホールの場合
通常の赤色巨星からできたブラックホールが完全に蒸発するまでには、約10の68乗年（1の後に0が68個並ぶ年数）かかると考えられています。
これは、宇宙の年齢（約138億年）よりも遥かに長い時間です。
現実的には、このようなブラックホールが蒸発するのを観測することは不可能です。
蒸発の加速
ホーキング放射で質量が減ると、温度が上がり、さらに放射の強度が増えます。
これが繰り返されることで、蒸発は加速度的に進みます。
最後には、爆発的にエネルギーを放出して消滅します。
消滅直前のブラックホールでは、温度が10の32乗K（1の後に0が32個並ぶケルビン）にも達します。
原始ブラックホール
宇宙の初期に形成された小さなブラックホール（原始ブラックホール）が存在するならば、現在までに蒸発しているかもしれません。
蒸発の最後のプロセスがガンマ線バーストとして観測されるという説もありますが、まだ確認されていません。
ブラックホール情報パラドックス
ホーキング放射の理論は、物理学における大きな問題を引き起こしました。
これを「ブラックホール情報パラドックス」または「情報喪失問題」と呼びます。
問題の概要
ブラックホールに物体が吸い込まれると、その物体が持っていた情報（何でできているか、どんな状態だったかなど）はどうなるのでしょうか。
ホーキング放射は完全な熱放射なので、ブラックホールの温度以外の情報を持っていません。
つまり、吸い込まれた物体がトマトでもオレンジでも、出てくるホーキング放射は全く同じです。
量子力学との矛盾
量子力学の基本原理の一つに、「情報は必ず保存される（ユニタリ性）」というものがあります。
しかし、ブラックホールの蒸発によって情報が失われるなら、この原理に反することになります。
これが、ブラックホール情報パラドックスです。
ホーキングの考えの変化
1976年に、ホーキングは「ブラックホールに吸い込まれた情報は、ホーキング放射に反映されず、ブラックホールの蒸発によって完全に失われてしまう」という説を発表しました。
しかし、2004年7月21日、ホーキングは自説を修正し、「情報はブラックホールの蒸発に伴って何らかの形でホーキング放射に反映され、外部に出てくる」と発表しました。
現在の理解
1998年までには、ひも理論やホログラフィック原理などの新しい理論を使って、ブラックホールに吸い込まれた情報は失われないと説明できるようになりました。
最近の研究では、ワームホールと呼ばれる時空構造が重力の量子効果によって形成され、これがホーキング放射のエントロピー（情報量）の振る舞いを大きく変えることが示されています。
ホーキング放射にブラックホール内部の情報が含まれていることを示唆する結果が得られており、情報問題の解決に向けた重要な知見になっています。
最新の研究
ブラックホールの蒸発理論に関する研究は、現在も続いています。
蒸発するブラックホールの内部構造
2020年、理化学研究所の研究チームが、蒸発の効果を最初から取り入れて、物質が重力でつぶれていく過程を理論的に解析しました。
この研究により、ブラックホール内部に分布している物質の情報がどこにあるのかを特定できるようになりました。
情報量を調べると、熱力学から導かれる「ベッケンシュタイン・ホーキング公式」に一致することが分かりました。
事象の地平面がなくても蒸発する?
2023年、ラドバウド大学の研究チームが、ブラックホールの特別な性質である「事象の地平面」がなくともホーキング放射が起こることを理論的に示しました。
この考えが正しい場合、ブラックホールだけでなく、すべての天体がホーキング放射を通じて質量を失い、最後には蒸発する可能性があることになります。
ただし、通常の天体では蒸発にかかる時間が極めて長いため、現実的には観測不可能です。
実験室でのホーキング放射の再現
2016年、イスラエルの科学者ジェフ・スタインハウアーが、音速以上に物質を加速させることで音響的な事象の地平面（ブラックホール）を再現しました。
そこで、ホーキング放射と同様に見える現象を確認したと発表しました。
これは、ホーキング放射の存在を間接的に支持する実験結果です。
ホーキング放射の観測
現実のブラックホールからホーキング放射を観測することは、非常に困難です。
観測が難しい理由
恒星質量クラスのブラックホールでは、ホーキング放射の温度が宇宙背景放射の温度よりも低いため、背景の中に埋もれてしまいます。
また、ホーキング放射は非常に弱いため、現在の技術では直接観測することができません。
将来の観測の可能性
もし宇宙の初期に形成された小さなブラックホール（原始ブラックホール）が存在し、現在蒸発の最終段階にあるならば、そのガンマ線バーストを観測できるかもしれません。
しかし、これまでのところ、そのような観測例は報告されていません。
ブラックホール熱力学
ホーキング放射の発見により、ブラックホールは熱力学（温度やエネルギーに関する物理法則）に従うことが分かりました。
ブラックホールの温度とエントロピー
ブラックホールは、その質量で決まる温度を持っています。
また、ブラックホールのエントロピー（情報量）は、その表面積に比例します。
これは「ベッケンシュタイン・ホーキング公式」として知られています。
ブラックホールは3次元空間の物体であるにもかかわらず、その情報量は表面積に比例するという不思議な性質を持っています。
ホログラフィック原理
ブラックホールの情報量が表面積に比例するという性質は、「ホログラフィック原理」と呼ばれる考え方につながりました。
これは、3次元空間の情報が2次元の表面に記録されているという、非常に興味深い原理です。
よくある質問
ホーキング放射は本当に存在するのですか?
理論的には強く支持されていますが、直接観測されたことはまだありません。
ただし、音響的なブラックホールを使った実験で、ホーキング放射と同様の現象が確認されています。
ブラックホールは本当に蒸発するのですか?
理論的には、すべてのブラックホールはホーキング放射によって最終的に蒸発します。
ただし、恒星質量クラスのブラックホールが蒸発するには宇宙の年齢よりも遥かに長い時間がかかるため、現実的には観測不可能です。
なぜ光が脱出できないのに放射が出るのですか?
ホーキング放射は、事象の地平面の「外側」で生成された粒子が逃げ出すものです。
内側から光が脱出するわけではありません。
量子力学的な効果により、外側に粒子が生成されるのです。
ブラックホールの情報はどうなるのですか?
これは「ブラックホール情報パラドックス」と呼ばれる、現代物理学の大きな問題です。
最近の研究では、情報はホーキング放射に何らかの形で反映され、失われないことが示唆されています。
しかし、詳しいメカニズムはまだ完全には解明されていません。
すべての物質が蒸発するのですか?
最新の研究では、事象の地平面がなくてもホーキング放射が起こる可能性が示されています。
もしこれが正しければ、すべての天体が最終的に蒸発することになります。
ただし、蒸発にかかる時間が極めて長いため、現実的には問題になりません。
ブラックホールの蒸発は観測されていますか?
いいえ、まだ観測されていません。
恒星質量クラスのブラックホールでは蒸発の効果が無視できるほど小さく、現在の技術では観測不可能です。
原始ブラックホールの蒸発が観測される可能性はありますが、まだ確認されていません。
まとめ
ブラックホールの蒸発理論（ホーキング放射）は、1974年にスティーヴン・ホーキングが提唱した画期的な理論です。
ホーキング放射とは、ブラックホールから出る熱的な放射のことで、量子力学的な真空のゆらぎにより粒子・反粒子の対生成が事象の地平面付近で起こることで発生します。
蒸発の仕組みは、片方の反粒子が事象の地平面の内側に落ち込み、もう片方の粒子が外側に逃げ出すことで、ブラックホールの質量が減少するというものです。
ブラックホールの温度は、質量に反比例し、小さいブラックホールほど高温です。
蒸発時間は、質量の3乗に比例し、恒星質量クラスのブラックホールが完全に蒸発するには約10の68乗年かかります。
ブラックホール情報パラドックスは、ホーキング放射によって情報が失われるという問題ですが、最近の研究では情報は失われないことが示唆されています。
最新の研究では、蒸発するブラックホールの内部構造の解明や、事象の地平面がなくてもホーキング放射が起こる可能性などが示されています。
ブラックホールの蒸発理論は、一般相対性理論と量子力学を統合する「量子重力理論」の理解に向けた重要な手がかりとなっています。
まだ直接観測されていませんが、理論的には非常に重要な現象として、多くの物理学者が研究を続けています。
この理論は、宇宙の最も神秘的な天体であるブラックホールが、実は永遠ではなく、最終的には蒸発して消えてしまうという驚くべき事実を教えてくれます。
ブラックホールの蒸発理論は、私たちが宇宙を理解するための重要な一歩であり、今後もさらなる研究の進展が期待されています。
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