全ての物質は重力場さえあればやがて蒸発する？ ブラックホール以外でもホーキング放射が起こる可能性

宇宙最速の光さえも抜け出せないと表現される“ブラックホール”は、永遠に質量を失わないように思えますよね。
でも、実際には“ホーキング放射”と呼ばれるプロセスを通じて、徐々に質量を失っていくと言われています。

今回の研究では、ブラックホールの特別な性質である“事象の地平面”が無くても、ホーキング放射が起こることを理論的に示しています。
この考えが正しければ、ホーキング放射は重力場さえあればどこでも起こる現象であり、質量を失い蒸発する天体はブラックホールだけに限定されず、あらゆる天体がホーキング放射によって蒸発することになりそうです。

この研究は、ラドバウド大学のMichael F. Wondrakさんたちの研究チームが進めています。

ブラックホールが少しずつ質量を失う現象“ホーキング放射”

ホーキング放射は、1974年にスティーヴン・ホーキングが予言した性質です。

量子力学では、真空は何もない空間ではなく、仮想的な粒子と反粒子のペアが生成と消滅を繰り返す“泡立った空間”であると表現されています。
これは、粒子として現れるために真空から“借りた”エネルギーをすぐに“返済”するためです。

でも、粒子が真空から借りたエネルギーを外部から与えるなどして代わりに返済すれば、その粒子を実在のものとして取り出すことが可能になります。
これは、真空に強力なγ線を与えることで、電子と陽電子のペアが現れる実験でも確かめられています。

こうした粒子のペアの生成と消滅が、ブラックホールの境界である“事象の地平面”のすぐ近くで発生するとホーキング放射が起こります。

“事象の地平面”は、それより内側に入れば光でもブラックホールの重力から逃れられなくなる境界です。

もしも仮想的な粒子と反粒子のペア（ホーキング放射の場合、質量がゼロの粒子）が生成された後、片方だけが“事象の地平面”を横切った場合、相方を失ったもう片方は実在の粒子として外に飛び出さなければなりません。

ただ、仮想粒子が実在粒子になるにはエネルギーをどこかから調達しなければなりませんが、この場合はブラックホールの質量から調達することになります。

質量はエネルギーと等しいので、ブラックホールは仮想粒子が実在粒子になった分だけ質量を失うわけです。

この様子を遠くから見ると、まるでブラックホールが実在粒子を放射し、少しずつ質量を失っているかのように観測されます。

これがホーキング放射です。

ホーキング放射が起こり続ければ、ブラックホールは最終的にすべての質量を失う、すなわち蒸発すると予測されています。

以上の説明の通り、ホーキング放射が実現するには時空が一方通行になる“事象の地表面”が必要で、“事象の地平面”に限りなく近い場所（計算上では無限に近い場所）で起こるブラックホールに限定された事象だと長年考えられてきました。

図1．ホーキング放射の概念図。真空では仮想的な粒子（+νe）と反粒子（-νe）のペアが、あちこちで生まれてはすぐさま消滅する。でも、“事象の地平面”付近（青色と黒色の境界）で発生した粒子のペアは、片方がブラックホールに吸い込まれることがある。残されたもう片方は飛び出していくので、あたかもブラックホールが放射を起こして質量を失っているように見える。これがホーキング放射になる。（Credit: Physics Feed）

強大な電場や磁場を必要とするシュウィンガー効果

実験室でブラックホールを作ることはできないので、ホーキング放射が実証されたことはありません。
ただ、“事象の地平面”と非常によく似た状態を設定した実験では、ホーキング放射のような現象が確認されています。

このため、「ホーキング放射は“事象の地平面”に限りなく近い場所でのみ起こる」っという認識は正しいように思えます。

でも、研究チームは、“シュウィンガー効果”と呼ばれるアプローチを適用することで、ホーキング放射は“事象の地平面”よりずっと遠くでも起こることを理論的に証明したんですねー

“シュウィンガー効果”は、1951年にジュリアン・シュウィンガーによって示された電磁力学的な現象で、「十分に強い電場や磁場の下では、真空から粒子と反粒子のペア（より具体的には電子と陽電子のペア）が生成される」という現象です。

シュウィンガーが予言したオリジナルのシュウィンガー効果を起こすのに必要な電場や磁場の強度は高すぎるので、実験的に観測されたことはありません。
でも、非常によく似た状況を設定したところ、シュウィンガー効果のような現象が確認されたという報告はあります（ただし、この報告については他の現象を誤認した可能性もあり、現在確認中です）。

重要なのは、強大な電場や磁場が必要なシュウィンガー効果は、ブラックホールの近辺という強大な重力場の下で起こるホーキング放射によく似ていることです。
それに、真空から粒子と反粒子のペアが生成されるという状況も似ています。

大きな違いは、シュウィンガー効果が起こる確率は電場や磁場の強度に依存していて、どこでも起こり得る現象であるのに対し、ホーキング放射は“事象の地平面”という極めて狭い範囲でしか起きないと予測されていることです。

ホーキング放射は重力場さえあればどこでも起こる

これは本当なのでしょうか？

今回の研究では、重力場に対する計算を行うことで、ホーキング放射が重力の強い場所ほど起こりやすい現象だということを証明しています。

重力場に対する計算とは、熱方程式に対して熱核を求めるアプローチで重力場の計算を行うこと。ホーキング放射は熱放射と同じであるとみなせる熱力学的な現象であり、このような計算が可能になる。

重力の強い場所、つまりブラックホールの近辺である“事象の地平面”付近で最も起こりやすいという点は、これまでの認識と同じです。
でも、今回の研究では「重力場が強い場所ならば“事象の地平面”から遠く離れていてもホーキング放射が起こる」ことを証明したのが重要なポイントなんですねー

図2．今回の研究で明らかにされたホーキング放射の様子。ブラックホールから離れるほど、「仮想の粒子と反粒子が生成される確率」は低くなるが、「粒子の片方だけが逃げ出す確率」は高くなることが分かった。（Credit: Wondrak, et.al.）

ホーキング放射がどこでも起こり得る現象であり、起こる確率が重力場の強さによって決まるという性質が本当であれば、シュウィンガー効果と非常によく似ていることになります。

今回の研究で明らかにされたのは、ホーキング放射が最大化するのがブラックホールの半径（中心から“事象の地平面”までの距離）の約1.25倍であること。
これは、“事象の地平面”に限りなく近い距離でのみホーキング放射が起こると考えられていた従来のブラックホール像とは大きく異なります。

研究チームの証明が正しければ、ホーキング放射は重力場さえあればどこでも起こる現象であり、“事象の地平面”は不要ということになります。

ホーキング放射が起こるには、何かしらのエネルギーが必要とされることに変わりはありませんが、そのエネルギーは重力場の源である天体自身が出処になります。

このため、ホーキング放射によって蒸発する天体はブラックホールだけに限定されず、あらゆる天体がホーキング放射によって蒸発することになります。

実際には、ホーキング放射は極めて弱いプロセスなので、蒸発が起こるにはゼロが数十個並ぶほどの非常に長い年数が必要になります。

また、ブラックホール以外の天体では、陽子崩壊など別のプロセスの方がよほど早く進むことになります。
それでも、非常に半径の小さな中性子星などでは、ホーキング放射が無視できないレベルで働く可能性もあるそうです。

陽子の寿命は有限であり、長い時間をかけて素粒子に崩壊するという予測。この予測が正しい場合、ブラックホール以外の天体ではホーキング放射よりも陽子崩壊の方がはるかに速く天体の質量を失わせる原因になる。

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