ホワイトホール：歴史、理論、そしてそれがどのように形成されるか - 物理的 - 2025

ホワイトホールは一般相対性理論の方程式の厳密解に属する、時間-空間の特異点です。これらの特異点には、いわゆるイベントホライズンがあります。これは、ホワイトホールでは外部から侵入できないバリアの存在を意味します。理論的には、ホワイトホールは過去に行く特異点です。

現時点では誰も観測できていません。しかし、私たちの存在が最も特別なものである可能性もあります。138億年前のビッグバンは、超巨大ホワイトホールによって引き起こされたイベントと見なすことができます。

惑星のような大きな質量は時空を歪めることができます。出典：Mysid

一般相対性理論では、時空は加速度の影響または巨大な物体の存在によって変形する可能性があると考えられています。ブラックホールの存在を予測したのと同じ理論であり、ホワイトホールが対応物になります。したがって、これらの存在は同等に可能であると見なされます。

ここで、時空特異点を形成するには、いくつかの物理的メカニズムが必要です。ブラックホールの場合、原因は超大質量星の重力崩壊であることが知られています。

しかし、ホワイトホールのような特異点を形成する可能性のある物理的なメカニズムはまだわかっていません。候補者は確かに登場しますが、すぐにわかるように、可能なトレーニングについて説明します。

ブラックホールとホワイトホールの違い

既知のブラックホールの多くは、内部崩壊を起こした巨大な星の残骸です。

それが起こると、重力は、光でさえも、近くに来るものは何も彼らの影響を逃れることができないほど増加します。

そのため、ブラックホールは、それらに陥るすべてのものを飲み込むことができます。それどころか、ホワイトホールには何も入ることができず、すべてが拒否されるか、そこからはじかれます。

そのようなオブジェクトの存在は可能ですか？結局のところ、ブラックホールは、アインシュタインの場の方程式の数学的解として、周囲に発生する重力と放射の影響でブラックホールが検出され、最近撮影されるまで、長い間残っていました。

対照的に、ホワイトホールが実際に存在する場合、ホワイトホールは宇宙論者からはまだ隠されています。

その発見の歴史

ホワイトホールの存在の理論は、ドイツの物理学者であり、アルバートアインシュタインの相対論的場の方程式の正確な解を最初に見つけたカールシュワルツシルト（1873-1916）の研究から始まりました。

これを行うために、彼は解が特異性を持つ球面対称性を持つモデルを開発しました。これは正確にブラックホールとその対応物です。

シュヴァルツシルトの作品はあまり人気がなく、おそらく第一次世界大戦中に出版されたものでしょう。1960年代に2人の物理学者が独立してそれを取り上げるのに数年かかりました。

1965年、数学者のイゴールノヴィコフとユヴァルニーマンはシュヴァルツシルトの解を分析しましたが、異なる座標系を使用していました。

当時、ホワイトホールという用語はまだ造られていませんでした。実際、それらは「遅れる核」として知られており、不安定であると考えられていました。

しかし、ブラックホールの対応物である研究者たちは、ホワイトホールの予測と互換性のある物理的な物体を見つけようとしました。

クエーサーとホワイトホール

研究者たちは、それを宇宙で最も明るい天体であるクエーサーで発見したと信じていました。これらは、ホワイトホールと同様に、電波望遠鏡で検出可能な強い放射束を放出します。

しかし、銀河中心のブラックホールに関連して、クエーサーのエネルギーは最終的にはより現実的な説明が与えられました。そして、ホワイトホールは再び抽象的な数学的実体でした。

したがって、それらが知られていても、ホワイトホールはブラックホールほど注目されていません。これは、彼らが不安定であると信じられているという事実だけでなく、彼らの実際の存在を疑わしいという事実だけでなく、それらの可能な起源についての合理的な仮説もないためです。

対照的に、ブラックホールは星の重力崩壊から発生します。これは、十分に実証されている物理現象です。

ホワイトホールの可能性のある発見

研究者は、2006年に発生したGRB 060614と呼ばれる現象で、最終的にホワイトホールを検出したと確信しています。この現象は、ホワイトホールの最初の文書化された外観として提案されています。

GRB 060614は、2006年6月14日にニールゲーレルスのスウィフト天文台によって検出されたガンマ線バーストで、特異な特性を備えていました。それは、ガンマ線バーストとブラックホールの起源について以前に開催された科学的合意に挑戦しました。

ビッグバンは、超大質量のホワイトホールであると信じている人もいますが、今度は、親宇宙にある未知の銀河の中心にある超大質量のブラックホールが原因である可能性があります。

ホワイトホールを観察する際の困難の1つは、すべての物質が1つのパルスでそこから追い出されることです。したがって、ホワイトホールには観察に必要な連続性がありませんが、ブラックホールには観察するのに十分な持続性があります。

理論

アインシュタインは、質量、時間、および長さは、それらが測定されている参照フレームの速度に密接に依存していると仮定しています。

さらに、時間は空間変数と同じ意味を持つもう1つの変数と見なされます。したがって、時空は、任意のイベントとすべてのイベントが発生するエンティティとして話されます。

物質は時空の構造と相互作用し、それを修正します。アインシュタインは、フィールド方程式と呼ばれる10個のテンソル方程式のセットでこれがどのように発生するかを説明します。

相対性理論におけるいくつかの重要な概念

テンソルは、時間変数を空間変数と同じレベルで考慮することができる数学エンティティです。力、速度、加速度などのよく知られたベクトルは、この拡張された数学的エンティティの一部です。

アインシュタインの方程式の数学的側面には、2つの無限に近いイベントを分離する空間と時間の両方の距離であるメトリックなどの概念も含まれます。

時空の2つの点は、測地線と呼ばれる曲線の一部です。これらのポイントは、時空距離を結合します。このような時空の表現は、次の図で確認できます。

円錐の形状は、すべての参照フレームで一定の光速cによって決定されます。すべてのイベントはコーン内で発生する必要があります。それらの外にイベントがある場合、情報は知覚されるために光よりも速く移動する必要があるため、知る方法はありません。

アインシュタインの場の方程式は、空の領域に2つの特異点がある（つまり、質量がない）解を受け入れます。これらの特異点の1つはブラックホールで、もう1つはホワイトホールです。どちらにも、イベントホライズンがあります。これは、特異点を囲む有限半径の球形境界です。

ブラックホールの場合、この領域から出る光はありません。ホワイトホールでは、イベントの地平線は、外部から何も侵入できない障壁です。真空中のブラックホール解は未来のライトコーンにあり、ホワイトホール解はライトコーンの過去の領域にあります。

実際のブラックホールを含むアインシュタイン方程式の解は、物質の存在を必要とし、この場合、ホワイトホールを含む解は消えます。したがって、数学的な解として、問題のない特異解の理論にはホワイトホールが存在すると結論付けられます。しかし、アインシュタインの方程式に問題が含まれている場合、これは当てはまりません。

ホワイトホールはどのようにして形成されますか？

2014年、フランスのエクスマルセイユ大学の理論物理学者Carlo Rovelliと彼のチームは、ブラックホールの死からホワイトホールが発生する可能性があることを提案しました。

ブラックホールの第一人者であるスティーブンホーキングは、すでに1970年代に、ホーキング放射の放出によりブラックホールの質量が減少すると計算しました。

ロヴェリと彼のチームによる計算は、ブラックホールからのそのような放射線損失の収縮が、最終段階でホワイトホールを作成するバウンスを生成する可能性があることを示しています。

しかし、Rovelliの計算では、太陽の質量と等しい質量のブラックホールの場合、現在の宇宙時代のおよそ4千億倍もの時間がホワイトホールを形成するのにかかることを示しています。

ホワイトホールとダークマター

ビッグバンの1秒後、急速に拡大する宇宙の密度の変動により、原始的なブラックホールを生成することができました（恒星の崩壊は必要ありません）。

これらの原始ブラックホールは多く、恒星起源のものよりも小さく、宇宙の生命に含まれる時間内にホワイトホールに道を譲るために死ぬまで蒸発する可能性があります。

微視的なホワイトホールは非常に大きくなる可能性があります。たとえば、一粒の塵の大きさは月よりも大きな質量を持つ場合があります。

ロベリのチームは、これらの微視的なホワイトホールが最も重要な宇宙論の謎のもう1つである暗黒物質を説明できることさえ示唆しています。

微視的なホワイトホールは放射線を放出しません。そして、それらは1つの波長よりも小さいため、見えなくなります。これは、まだ検出されていない理由を説明するもう1つの理由である可能性があります。

参考文献

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5. ウィキワンド。ホワイトホール。回復元：wikiwand.com