京大など、ブラックホールを記述する新理論をコンピュータで検証

京都大学と高エネルギー加速器研究機構(KEK)、茨城大学は、ブラックホールで起こる力学現象を厳密に記述できる新理論を、コンピュータによって数値的に検証したと発表した。

同成果は、京大 基礎物理学研究所の花田政範特定准教授、伊敷吾郎特任助教、KEK 素粒子原子核研究所の西村淳准教授、茨城大 理学部の百武慶文准教授らによるもの。詳細は、米国科学誌「Science」オンライン版に掲載された。

ブラックホールは、一度中に落ち込むと光の速さをもってしても外に出られないという、宇宙空間にぽっかり開いた"黒い穴"である。これに対し、1974年に英国のホーキング博士は、ブラックホールの周りで粒子と反粒子が対をなして生成したり消滅したりする微視的な効果を考慮することにより、ブラックホールが輻射を出しながら、ゆっくりと蒸発していくことを理論的に導き出した。このことからホーキング博士は、ブラックホールが一定の"温度"を持った物体と見なせることを示した。

一方で、このようなブラックホールの性質を、ブラックホールの内部から精密に理解することは、これまで困難と考えられてきた。それは、ブラックホールの中心に近づくにつれ、時空の曲がり具合が大きくなり、一般相対性理論に基づく重力の記述が破綻するためである。

この問題を解決する新しいアプローチとして、1997年に米国プリンストン大学のマルダセナ教授は、ブラックホールの中心を含めて正しく重力を記述する理論を提唱した。この理論によれば、ちょうどホログラムが立体図形の情報を平面上に記録できるのと同様に、ブラックホールのように曲がった時空で起こる力学現象を、平坦な時空上で精密に記述できるとしている。

今回の研究では、マルダセナ教授の理論を用いてブラックホールの質量と温度の関係をコンピュータで数値的に計算した。そして、さまざまな大きさのブラックホールに対して計算した結果が、従来の超弦理論に基づく重力の量子力学的な効果の近似計算(別の研究)の結果と一致することを確認した。これまでの多くの検証は、重力の量子力学的な効果が無視できる状況下で行われてきたが、今回の検証はそれらを越える結果を与えるものであるとしている。また、マルダセナ教授の理論は、従来の超弦理論に基づく近似計算よりも適用範囲が広いと考えられ、今回の研究によって確立された数値的な手法をさらに発展させることにより、ブラックホールの蒸発に関連したさまざまな謎の解明につながるものと期待されるとコメントしている。