ノーベル物理学賞者(2020年)であるブラックホール研究者の3人の功績を「サイエンスZERO」で解説

2020年ブラックホール研究によるノーベル物理学賞者3人

2020年12月6日(日)、NHK Eテレ「サイエンスZERO」で2020年のノーベル賞、医学・生理学賞、物理学賞、化学賞について解説。

2020年、今年のノーベル医学・生理学賞は”C型肝炎ウィルスの発見”で、化学賞はゲノム編集技術の新開発”。

史上初めて撮影されてブラックホール

出典:NHK

そして、物理学賞は”ブラックホールの研究”で「ブラックホールが形成されることは一般相対性理論の確固たる予言であることの発見」「天の川銀河中心に巨大質量のコンパクト天体を発見」です。

当記事は「サイエンスZERO」の物理学賞の解説をまとめます。
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2020年ノーベル物理学賞”ブラックホール研究の功績”を解説

「ブラックホールが形成されることは一般相対性理論の確固たる予言であることの発見」とは?

ロジャー・ベンローズ博士

出典:NHK

「ブラックホールが形成されることは一般相対性理論の確固たる予言であることの発見」とだけ読むと難しいのですが、わかりやすく解説がありました。

一般相対性理論にある有名な数式

出典:NHK

一般相対性理論は1915年にアインシュタインが発見、その中に有名な数式があるのです。

空間のゆがみを表す式

出典:NHK

この数式、左側はざっくり”空間のゆがみ”のことを表すたもので、

物質の存在

出典:NHK

右側は”物質の存在”を表してます。

これがイコールで結ばれているということは、”物質が存在すると空間はゆがむ”ということを言っているのです。

言葉ではつかみにくいので簡単な実験をやってみます。

筒に布を張って宇宙空間にみたてる

出典:NHK

筒に布を張って宇宙空間に見立てます。

地球に見立てた物体を筒に張った布の上に

出典:NHK

地球に見立てた物体を上に置きます。少し歪んでいますが、地球ぐらいの質量だと空間のゆがみは微々たるものです。

太陽ぐらいだとゆがみは大きくなる

出典:NHK

一方、太陽に見立てた物体の質量だと空間のゆがみは大きいことがわかります。

その周辺では物の動きも変わる

出典:NHK

その周辺では物の動きも変わります。

小さな空間のゆがみを光が通過する時は少し曲がる

出典:NHK

空間のゆがむが小さい時に光が通過しようとすると、光は少し曲がりますが、通過することはできます。

光の速さでも出てこれないほどの空間のゆがみ

出典:NHK

もっと、ゆがみが大きいと光の速さ時速30万Kmと一定なので、光の速さでも出てこれなくなってしまうのです。

これがブラックホールというものなのです。

アインシュタインの一般相対性理論から理論上、ブラックホールができることは多くの人が考えたのですが、アインシュタインも含め、実際にブラックホールが存在することまでは考えていなかったのです。

その数式を研究していたベンローズさん以前の研究者の方は、ブラックホールができるとしても、極めて特殊な場合だけで、現実にはそんなことはないじゃないかという考えが主流でした。

ベンローズさんの功績

出典:NHK

ところが、ベンローズさんはこういうふうに解いていけば、ブラックホールが形成されるということを(数学的に)証明してみせた功績でノーベル物理学賞を受賞ということになります。

ブラックホールが科学的に確かに存在することが証明されたことで、ブラックホールを探すことにつながったのです。

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天の川銀河中心にある巨大質量のコンパクト天体をどうやって発見したのか?

ラインハルト博士とアンドレア博士

出典:NHK

ブラックホールは光も出てこれないようなものなのですが、どうやってさがすことができたのでしょうか?

ゲッズ博士「ブラックホールを見つける鍵は、周りの星の動きにあります」

「望遠鏡を巨大なブラックホールがあるはずと言われ得tる天の川銀河の中心に向け、そこに見える星の動きを観察します」

ブラックホールを中心に回る星が見つかるはず

出典:NHK

「そうすればブラックホールを中心に回る星が見つかるはずです」

ブラックホールとブラックホールを中心に回る星

出典:NHK

星の動きを長期間観測し、星が何もない空間を回っていることがわかれば、そこにブラックホールがある証拠になるということなのです。

ケック天文台

出典:NHK

1995年、ハワイマウナケアのケック天文台でブラックホールの観測が開始されました。

その頃、天の川銀河の中心迄は2万6千光年もあるので、星の動きを見極めることは非常に難しいことでした。

大気のゆらぎを最小限に抑えるため、撮影の露光時間を短くし、観測を続けました。

不思議な動きをする星を発見

出典:NHK

観測開始から7年後の2002年、不思議な動きをする星を発見します。

秒速5,000Kmで急旋回した星

出典:NHK

秒速5,000Kmという超高速で急旋回していたのです。

この星は太陽の10倍以上の質量を持つ巨大な星だということがわかりました。

ゲッズ博士

出典:NHK

ゲッズ博士「この大きさの星を急旋回させるのはそこに大きな質量があるからです」「それほど大きな重力を生み出すのはブラックホール以外に考えられませんでした」

ブラックホール

出典:NHK

星の動きから推測されるブラックホールの場所はここ(赤い点のところ)で、

質量は太陽の400万倍

出典:NHK

質量は太陽の400万倍という巨大なものだったことがわかったのです。

ブラックホールの発見に関しては下の動画を見ると、もっとイメージしやすいと思います。

 

 

ゲッツ博士ともう一人のゲンツェル博士は南米のチリにある望遠鏡を使って、同時期に同じ天体を観測し、同じ結論に至ったライバル関係でしたが、2人の受賞となりました。

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最後に、ブラックホールについてはまだまだわかってないことばかり

専門家によるとまだまだブラックホールについてはわかってないことばかり。

銀河系の中心に巨大ブラックホールがあるとして、なぜあるのか?、どのようにしてできたのか?、いつできたのか?などはまだまだこれから解明が進んでいくことになりますし、最後はどうなって終わるのか?など解き明かすべき謎はあるということです。

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1970年長崎県五島生まれ 現在、家族は妻、息子の2人 品川区在住、品川区勤務 好きな作家:池井戸潤、伊坂幸太郎、真山仁 好きなドラマ:救命病棟24時、医龍 好きな映画:グローリー 好きな女優:石田ゆり子、イングリッド・バーグマン 好きなスニーカーメーカー:PATRICK