ブラックホールクライシス
−見えないものをみる−

■ラリイ・ニーヴン『中性子星』■
■団獅子丸『ブラックホールの謎』■
■NHKスペシャル『銀河宇宙オデッセイ』（1990年）■
　第3集「接近・ブラックホール」

宇宙船ヘリオス号

探査宇宙船で星間空間を調査航行している．
（当然ながら，誰も行ったことのない未知空域）
↓
星間を放浪しているブラックホールと遭遇する．
（“見えない”ので近づくまで気づかない）
↓
ブラックホールの重力場に捕らえられ危機に陥る．
（なぜか，突然，機器の異常や船体の震動が生じる）
↓
船体を分離したりして，かろうじて脱出する．
（クルーの機転や偶然のおかげ）

ホンマにブラックホールに気づかないのか！？
クルーがアホなだけではないか？

『銀河宇宙オデッセイ』の場合
小惑星の消失，背景の星雲の歪み　←　眼視観測！！
２人乗りの搭載艇イカロスで接近　←　無人探査機！

■重力場で探知する■

重力は自由落下によって消去できる． 重力による航宙軌道の偏差を検出するなら別だが， 何の基準も存在しない宇宙空間で， 重力場そのものを直接検出するのは難しい． そこで重力の勾配である潮汐力を検出する．

潮汐力＝宇宙船の重心での重力−宇宙船の縁での重力

Ｍ：ブラックホールの質量
ｒ：ブラックホールと宇宙船の距離
ａ：宇宙船の大きさ

潮汐加速度ｇ

具体的には

Ｍ＝10太陽質量
ａ＝100ｍ

↓

ｇ＝ｇ_地球となる距離　　　ｒ＝0.034太陽半径
ｇ＝10^-6ｇ_地球となる距離　ｒ＝3.4太陽半径

かなり近づかないと検出するのは難しい．

■X線放射で探知する■

宇宙空間といえども完全な真空ではない． 星間ガス中を運動するブラックホールは， その重力によって星間のガスを吸い込む． ブラックホール自体は光らないが， 吸い込まれたガスが高温になって光り出す．

ホイル＝リットルトン降着

Ｍ：ブラックホールの質量
ｖ：ブラックホールの速度
ρ：星間ガスの密度
ε：放射効率

降着半径　　Ｒ＝2ＧＭ/ｃ²
質量降着率　Ｎ＝πＲ²ρｖ
放射光度　　Ｌ＝εＮｃ²

具体的には

Ｍ＝10太陽質量
ｖ＝10km/s
ρ＝陽子の質量×1個/立方センチメートル
ε＝0.1程度

↓

Ｒ＝2.7×10¹⁵ cm＝約180天文単位
Ｎ＝3.7×10¹³ g/s
Ｌ＝3.3×10³⁴ε erg/s＝8.7ε太陽光度

これはかなり明るい！
ただし，
速度ｖが大きい　→　光度は小さくなる
密度ρが小さい　→　光度は小さくなる
効率εが小さい　→　光度は小さくなる

X線を放射していれば容易に検出できるが， X線を出していない場合もある．

■重力レンズ効果で探知する■

重力場中では光が曲がるために， 重力場（天体）は光を集めるレンズのような働きをする． この＜重力レンズ効果＞によってブラックホールの存在を探知する．

天体の見える方向が偏差する．
弧状の像やリング状の像が生じる．
天体が増光してみえる．

◆重力レンズ天体の例

銀河団A2218 銀河団Cl0024

◆重力レンズによる光線のふれ角

曲げられる角度δφ

Ｍ：重力源（レンズ）の質量
ｐ：光線とレンズの最接近距離（近レンズ点距離）

具体例：太陽の縁をかすめる光線

Ｍ＝太陽質量
ｐ＝太陽半径

↓

δφ＝1.75秒角

◆ブラックホールの探知

重力レンズ効果によるブラックホールの探知とは
星の位置をきわめて精度よく走査して， 重力レンズ効果による系統的な歪みを検出する方法． （マイクロ重力レンズ効果による増光を捕らえる方法もあるが， イベントが生じる偶然性に左右される）

上の式の両辺に，
宇宙船からブラックホールまでの距離 ｒ
をかけて整理する．

具体的には

Ｍ（ブラックホールの質量）＝10太陽質量
ｐ/ｒ（近レンズ点距離 ｐ の見かけの角度）＝検出精度0.1秒角
δφ（光線のずれの角度）＝検出精度0.1秒角

↓

ｒ＝26.5光年

検出精度がもっと悪くても， ブラックホールからは十分遠方で安全な距離から， ブラックホールの存在を検出できる．

星の位置の精査だけなので， アホなクルーには頼らない，自動的な検出も可能．

■手作り重力レンズ■

重力レンズの幾何光学

普通の凸レンズでは平行光線は焦点に集まるが， （質点による）重力レンズでは， 光軸に近い光線ほど大きく曲げられるため， 焦点が存在しない．

質点重力レンズの設計

ｚ：レンズの厚み
ｒ：光軸からの距離
Ａ：レンズの強さと材質の屈折率によって決まる定数

ｚ ＝−Ａ ｌｎｒ ＋ 定数

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