ブラックホールから星の内部を読む時代へ
今回の研究により、星の死によって太陽質量45倍以上のブラックホールはできにくいという、理論上の予測が観測によって確からしいことがわかりました。
この空白の存在を確かめることで、私たちはさらに深いことを知ることができます。
それは星がどのように生まれ、どのように進化し、どのような最期を迎えるか、という壮大な物語です。
星は誕生から死までの長い一生の中で、中心部でさまざまな元素を作り出しながら輝き続けています。
とくに重い星では、中心部で炭素や酸素のような私たちにも馴染み深い元素が次々に作られていきます。
実はこの「炭素」や「酸素」などの元素を生み出す核反応の仕組みや強さは、これまで主に理論や実験室でのデータに頼ってきました。
しかし、今回発見された禁制領域の「空白」の位置、とくに下端の位置は、実際の星の内部で元素がどのくらいの強さで反応しているのかを間接的に教えてくれる、重要な情報源になるのです。
具体的には、研究チームはこの質量ギャップの位置から、星の中心でヘリウムが炭素と反応して酸素を作る反応（専門的には炭素とヘリウムが融合して酸素になる反応）の強さを絞り込むことができる可能性を指摘しています。
これは驚くべきことです。
なぜなら、ブラックホールの質量を詳しく調べることで、私たちは星の中心の核反応という、まさに宇宙で最も謎めいた現象にまで「逆探知」できるからです。
ただ研究者はこの解釈が絶対とは言い切れないことも認めています。
実際に観測されたのは、「ブラックホールが少なくなっている空白」であり、「対不安定性超新星によって星が吹き飛ばされたこと」そのものを直接見たわけではないからです。
しかし、この研究の意義は非常に大きいです。
これまで私たちはつい、星が重ければ重いほど最後に巨大なブラックホールを残すと考えがちでしたが、重すぎるとブラックホールにすらならない場合がある、という可能性をはっきりと示したからです。
今後、さらにブラックホールの合体が観測されれば、この禁制領域の存在がどれほど確かなのか、またどのような仕組みが本当に働いているのかが、もっと明らかになるでしょう。
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＞星の死によって太陽質量45倍以上のブラックホールはできにくい
もしかすると、太陽質量45倍以上の恒星は最後に2つ以上に分裂してから、ブラックホールに成るの?
局所的に反応が進み、いびつな姿になり、外側の質量がちぎれて、別々にブラックホールに成るとか?
記事に
>超重い星が起こす超新星爆発が激しくなりすぎて、ブラックホールの芯となる高密度領域すら消し飛んでしまう
>これが、「対不安定性超新星」と呼ばれる特別な現象です。
>既存の理論では、初期質量が太陽のおよそ100倍から260倍ものとても巨大な星が、この特別な運命を迎える可能性があり、結果として太陽の50倍〜130倍程度の質量を持ったブラックホールは星の死によってできにくくなると考えられていました。
とありますね。
アインシュタインの相対性理論によれば質量とエネルギーは等価であり、物質が持っている質量はエネルギーに転換する事が出来ます。
核反応だと核燃料が持っている質量の1%未満しかエネルギーに変える事が出来ないのに対し、超高重力は質量のエネルギー転換効率が高く、無限遠から白色矮星の表面に物体を落下させた場合、物体の質量の10%前後に相当するエネルギーが発生します。
これがブラックホールだと物体の質量の半分が重力波や電磁波の形で放射され、残りの半分は事象の地平面の中向かって落下します。
それは超新星爆発によってブラックホールが誕生する時も同じで、重力崩壊した恒星の中心核部分の質量の半分くらいがブラックホールの質量になります。
超新星爆発を起こす前の質量が太陽質量の100倍以上だとブラックホールが出来ないわけですから、超新星爆発によって誕生するブラックホールの質量は最大でも｢太陽質量の100倍｣の半分である50倍という事になります。
だから
>既存の理論では、初期質量が太陽のおよそ100倍から260倍ものとても巨大な星が、この特別な運命を迎える可能性があり、結果として太陽の50倍〜130倍程度の質量を持ったブラックホールは星の死によってできにくくなると考えられて
いたわけです。
今回判明した太陽質量の45倍という値は、既存の理論における下限である50倍と比べて少し小さな値ですが、もしかしますと超新星爆発の際に星の外層部分が吹き飛んだ分、質量が目減りしたのかも知れません。
「重い星ほどブラックホールになりやすい」という常識など存在しません。
太陽の8倍以上の質量を持つ恒星は超新星爆発を起こして死を迎えますが、太陽の8倍～20倍くらいの質量を持つ恒星は、中心核の核燃料が尽きて周囲からの圧力を押し返す放射圧を生み出せなくなると、中心核部分が重力崩壊して中性子星が形成され、その際発生する衝撃波と莫大な量のニュートリノが持つエネルギーによって星の外層が吹き飛びます。
正確な値は不明なものの、更に重い恒星では中心核の重力崩壊によってブラックホールが形成され、詳しい機構は不明なものの極超新星爆発を起こします。
正確な値は不明なものの、太陽質量の百～百数十倍の極端に重い恒星は、中心核の核燃料が減って中心核が収縮し、中心の温度が上昇すると、あまりにも高温になるため、その熱エネルギーによって生じるγ線のエネルギーが電子･陽電子対を生成するようになり、電子･陽電子対の生成にγ線が消費されるため温度が上昇してもγ線はそれほど強くならないため収縮を止められず、収縮によって更に温度と密度が上昇する事により核反応が暴走し、そのエネルギーによって(重力崩壊を起こす間もなく)星全体が爆発するため、対不安定性超新星ではブラックホールは形成されません。
この事は何十年も前から理論的に知られていた事です。(少なくとも40年以上前に発売され、田舎の高校の図書室に並んでいた書籍にも書かれていた事です)
つまり、
>「極端に重い星は、場合によってはブラックホールにすらなれない」
という事の方が何十年以上も前からの常識なのです。
今回の研究で重要な事は、「極端に重い星は、場合によってはブラックホールにすらなれない」などという何十年以上も前から判っていた常識などではなく、
>太陽質量の45倍のブラックホールでもできにくい
という具体的な値が観測事実に基づいて判明したという点なのです。
因みに、ブラックホールの平均密度は半径の3乗ではなく、1乗に比例するため、ブラックホールは質量が大きいほど平均密度が小さくなります。
そのため、更に質量が重くなると、恒星の元となる星間ガスが自らの重力によって収縮して行く際に、熱核反応によって恒星として輝き始める事の出来る密度になる前に、ブラックホールになってしまう事も考えられます。
連星をなしている恒星からブラックホールへの（大量質量程度の）質量移動は起こらないのでしょうか？
例えば恒星の進化の晩期となって光球面が肥大したり、ベテルギウスのように煙のようなガスを吐けば、ブラックホールに効率よく喰われてゆくなあんてことはないのでしょうか。
もし、起こり得るなら、記事の観測される重さの下限が、よりあやふやしてきそうです
記事をちゃんと読みましょう。
45倍というのは、ブラックホール同士の連星系における軽い方のブラックホールで
>観測される重さの下限
ではなく｢上限｣です。
>連星をなしている恒星からブラックホールへの（大量質量程度の）質量移動
が起きるという事は、軽い方の恒星から重い方のブラックホールへと質量が移動するという事なのですから、移動後の恒星の質量が｢太陽質量の45倍のブラックホールが出来る質量｣より重ければ、対不安定性超新星が起きてブラックホールは生じないし、移動後の恒星の質量が｢太陽質量の45倍のブラックホールが出来る質量｣より軽ければ、生じるブラックホールの質量は太陽質量の45倍以下になるので、45倍という質量の“上限”は変わりません。
軽い方の恒星がブラックホールになった後では、重い方は既にブラックホールなのですから、双方共に光球面など存在しないので、
>光球面が肥大
>恒星からブラックホールへの（大量質量程度の）質量移動
などという事は起こりようがありません。
ざっくりと、
重い星: 重力による収束力＜爆発起因の斥力
軽い星: 重力による収束力＞爆発起因の斥力
ってことかなぁ
これ言うほど簡単な話じゃないと言うか、爆縮の過程が一筋縄ではいかなくなるんじゃないだろか
特に拮抗する規模の天体の場合、膨らんだり縮んだり、何層にも渡ってボヨボヨしそう
爆発状態が時空に閉じ込められる（？）まである
｢重力による収束力と爆発起因の斥力のどちらが大きいか｣ではなく｢『ケイ素28からニッケル56が生じる核融合反応が起きて、星の中心核部分の核燃料が尽きる』のと『星の中心核の温度が高まる事で、γ線のエネルギーから電子-陽電子が対生成する反応が始まる』のとどちらが先に起きるのか｣によって決まるのです。
星の中心核において、核燃料が尽きれば中心核が重力崩壊して中性子星かブラックホールが出来ますし、電子-陽電子対生成反応が起きれば(中心部の温度と密度が共に増大し)核融合反応が暴走して対不安定性超新星爆発になります。