ブラックホールは光さえ逃さない天体として有名ですが、量子論を持ち込むと驚くべき事実が現れます。ブラックホールは本当の意味では「真っ黒」ではなく、ごく弱い熱的な光、ホーキング放射と呼ばれる放射を出すと理論的に予言されているのです。この発想だけでも十分ドラマチックですが、本当の宇宙的オチはさらに奇妙です。天文学者が実際に観測しているブラックホールでは、この放射があまりにも弱いため、ブラックホールが冷えるよりも速く、周囲の宇宙のほうがブラックホールを温めてしまうのです。
言い換えると、ブラックホールは放射しながら、それでもなお質量を増やしていけます。
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ホーキング放射が本当に意味していること
ブラックホール物理でいうホーキング放射とは、「事象の地平線」が温度を持ち、そこから放射が出るという予言です。事象の地平線とは、一度内側に入ってしまうと何物も外へは戻れない境界のことで、日常的な説明では「戻れない境界線」といった意味合いで語られます。
この放射は量子効果によるもので、その強さはブラックホールの質量に依存します。ブラックホールが大きいほど温度は低く、放射も弱くなります。記事では、ホーキング温度は質量に反比例すると明示されています。つまり、ブラックホールを重くすればするほど、冷たくなるのです。
これは私たちの直感を大きく裏切ります。コンロなら、大きくして温度を上げれば放射も増えますが、ブラックホールは逆のふるまいをします。ブラックホール熱力学では、小さいブラックホールほど強く放射し、大きなブラックホールは極端に冷たくなるのです。
宇宙空間よりも冷たいブラックホール
太陽と同じ質量を持つ恒星ブラックホールの場合、ホーキング温度はおよそ 62 ナノケルビンになります。ナノケルビンとは 1 ナノ＝10億分の1 ケルビンのことで、ケルビンは絶対零度から測った温度の単位です。
この値はほとんどばかげているほど小さな温度です。宇宙全体に満ちているビッグバンの名残りの光、宇宙マイクロ波背景放射の温度は約 2.7 ケルビンあります。それと比べると、太陽質量のブラックホールは凍てつくほど冷たいのです。
これは重要な意味を持ちます。熱は普通、より高温の環境から低温の物体へと流れます。こうしたブラックホールの周囲の宇宙の方が、ブラックホールのホーキング温度よりも高温であるため、ブラックホールはホーキング放射で失う以上のエネルギーを宇宙マイクロ波背景放射から吸収します。
つまり、ホーキング放射によって原理的にはブラックホールの質量が減るものの、現在の宇宙に存在する恒星ブラックホールは、全体としては縮んでいません。むしろ成長しているのです。
観測されるブラックホールが蒸発していない理由
ここで話題にしているブラックホールの中で、観測されている中では最も小さい部類に入るのが恒星ブラックホールです。これは大質量の恒星が自らの重力で崩壊してできたものです。しかしそれでも質量は十分に大きく、温度は十分に低いため、宇宙マイクロ波背景から受け取るエネルギーよりも速く蒸発することはありません。
記事では、恒星質量級以上のブラックホールは、ホーキング放射として放出するよりも多くの質量（エネルギー）を宇宙マイクロ波背景から受け取ると説明しています。つまり、崩壊した恒星からできた、私たちが知っているブラックホールは、ホーキング蒸発で近いうちに消えてしまう心配はないということです。
これが、ホーキング放射を直接検出するのが非常に難しい理由の一つでもあります。天体としてのブラックホールは、X線や降着円盤、クエーサー、ジェットなど、激しく明るい現象と結びついて語られますが、そうした光は周囲の物質が出しているものであり、ホーキング放射そのものではありません。ホーキング放射としての光は、それらに比べて桁違いに弱いのです。
いまの宇宙で蒸発しうるブラックホールはどれくらい小さい必要があるか
ホーキング温度が 2.7 ケルビンの宇宙マイクロ波背景より高くなるには、ブラックホールは月より軽い質量でなければなりません。記事では、印象的な比較として、そのようなブラックホールの直径は 0.1 ミリ未満になると説明しています。
これは物理学の中でも、とりわけ奇妙な「サイズと質量の組み合わせ」の一つです。月より軽いのに、直径はほこり粒より小さい可能性がある——それでもブラックホールとしての条件を満たすほどの質量を詰め込んでいるのです。
その閾値より軽いブラックホールだけが、いまの宇宙で周囲の背景放射から受け取るエネルギーよりも速く質量を失うことができます。こうしたブラックホールは崩壊した恒星から自然にできるものではなく、原始ブラックホールのような別種の起源を持つ必要があります。
原始ブラックホール：太古に生まれた仮説上の、そして潜在的に爆発的な天体
原始ブラックホールとは、ビッグバン直後の初期宇宙で、時空の高密度なゆらぎから生じたかもしれないとされる、仮説上のブラックホールです。恒星ブラックホールと違い、星の重力崩壊を必要としません。
原理的には原始ブラックホールは、非常に広い質量範囲で形成され得たと考えられています。そのため、中には極めて小さなものもあり得ます。記事では、質量が 10^15 グラム未満の原始ブラックホールは、ホーキング放射によってすでに蒸発しきっているはずだと述べています。
ここから、わくわくする可能性が浮かび上がります。もし、質量の小さな原始ブラックホールの一部が、いまの宇宙まで寿命を延ばし、最終段階の蒸発に差しかかっているとすれば、そのときにはガンマ線のバーストを放つと期待されます。ガンマ線は電磁波の中で最もエネルギーの高い放射で、可視光やX線よりはるかに高エネルギーです。
そうした最終瞬間の閃光は、ホーキング蒸発が実際に起きていることを示す、きわめて派手なサインになるはずです。
見つからないガンマ線の閃光
天文学者たちは、この理論上予言されるガンマ線バーストを探してきましたが、これまでのところ発見には至っていません。記事によれば、原始ブラックホールの最終蒸発段階からの閃光を探す試みは成功しておらず、NASA のフェルミ ガンマ線宇宙望遠鏡もそのような閃光を探索したものの、まだ見つけていないとされています。
この「見つからなさ」には大きな意味があります。低質量の原始ブラックホールがどれだけ存在し得るかに、強い制限を与えるからです。引用されている現代の研究によると、原始ブラックホールが宇宙全体の質量に占める割合は、10−7 よりも小さな一部にすぎないはずだとされています。
つまり、ガンマ線バーストが見つからなかったことは、単なる残念な「非検出」にとどまりません。有用な証拠でもあり、原始ブラックホールの可能性や、ホーキング放射が観測されうる条件を大きく絞り込んでいるのです。
ブラックホール蒸発は理論上は現実だが、実際にはきわめて遅い
ホーキングの理論が正しければ、ブラックホールは時間とともに光子や他の粒子を放出し、質量を失っていきます。このゆっくりとした質量減少は、しばしば「ブラックホールの蒸発」と呼ばれます。ただし、このプロセスにかかる時間は質量に強く依存します。
小さなブラックホールほど温度が高く、強く放射します。大きなブラックホールは温度が低く、放射も弱い。天文学者が通常研究しているのは、恒星質量級や超大質量ブラックホールなので、そのホーキング放射はごくごく微小です。大きなブラックホールは小さなものよりも少ない放射しか出さず、現代の宇宙ではむしろ、より温かい背景放射に浸されている状態なのです。
これによって、理論と観測のあいだに興味深い対比が生まれます。
- 理論上、ブラックホールは永遠ではなく、蒸発しうる。
- 現在の宇宙では、知られている天体ブラックホールは冷たすぎて、全体としては縮まない。
- 晩期の蒸発を観測できる最有力候補は、非常に小さな原始ブラックホールである。
- しかし、期待される最終ガンマ線閃光の探索は、いまのところ成果を上げていない。
ホーキング放射が持つ、より広い意味
ホーキング放射の重要性は、「ブラックホールが光るかどうか」という話をはるかに超えています。重力を時空の曲がりとして説明する一般相対論と、物質や放射の微視的ふるまいを支配する量子力学が、この現象を通じてつながるからです。
ホーキング放射は、ブラックホールを単なる宇宙の落とし穴ではなく、温度とエントロピーを持つ熱力学的な対象へと一変させました。バーディーン、ベケンシュタイン、カーター、ホーキングらによる研究によって、ブラックホール熱力学が確立され、質量・表面積・表面重力といった性質が、エネルギー・エントロピー・温度といった概念と関係づけられました。
このパラダイムシフトにより、ブラックホールは単なる奇妙な数学的解ではなく、物理学の最大級の未解決問題と深く結びついた、豊かな物理系として再認識されるようになりました。
その一つが「情報パラドックス」です。もしブラックホールが質量・電荷・角運動量だけで特徴づけられ、かつ、内部に落ち込んだ物質の詳細な情報を保たないかのようなホーキング放射で、ゆっくりと蒸発していくのだとしたら、その情報はどこへ行ってしまうのか？ 記事はこれを未解決の問題として紹介し、将来の量子重力理論にとって重要となりうる論点だと位置づけています。
現代宇宙における、ブラックホールの皮肉な姿
ブラックホールは「なんでも飲み込む底なしの怪物」といったイメージを持たれがちで、ホーキング放射は一見、それに反する現象のように思えます。しかし、実際に観測されているブラックホールに関しては、宇宙の方が依然として「食わせる側」であり続けています。
恒星ブラックホールの温度は、わずか 62 ナノケルビン程度と見積もられ、2.7 ケルビンの宇宙マイクロ波背景よりもはるかに冷たい存在です。これは、ブラックホールがビッグバンの残り火から受け取るエネルギーの方が、ホーキング放射として放出するエネルギーを上回ることを意味します。消えゆくどころか、質量を増していくのです。
いまの宇宙で蒸発しうるのは、月より軽く、サブミリメートルスケールに収まるほど小さなブラックホールだけです。もしそのような原始ブラックホールがどこかに潜んでいれば、その最期の瞬間にはガンマ線で激しく輝くはずです。ところが、空はまだそのような閃光を見せてはいません。
こうして導かれる現在の姿は、きわめて奇妙でありながら、美しくもあります。ブラックホールは確かに「光る」が、多くの既知のブラックホールは、そのかすかな輝きよりも、周りの宇宙の暖かさの方がはるかに勝っているのです。