「アインシュタインの予言」 みなさん，こんにちは。山口大学理学部の白石です。今日は藤沢先生の前座ということで，ちょっとだけ時間を拝借。 まあ，何といっても，昔も今も，宇宙を支配しているのは，重力です。20世紀に入ってから，重力の奥の深さを明らかにしたのはアインシュタインです。彼はいくつかの予言（正確に言うと，一般相対性理論の予言）をしました。 １．ブラックホール ２．重力レンズ効果 ３．重力波 これらはすべてアインシュタインが1916年頃に完成させた彼の重力理論，「一般相対性理論」から導かれるものです。一般相対性理論では，重力は「時空の歪み」として記述されます。ニュートンの理論は，重力が弱いときのふるまいは完璧に説明しますが，重力の強いところ，すなわち非常に大きな質量の近くが関係してくる場合などは，一般相対性理論を使わなければなりません。 では詳しく見ていきましょう。 ＊ブラックホール 重力が非常に強い場所では，光さえも脱出することができなくなります。これがブラックホールです。ひらたくいえば，狭い場所に質量が集中した状態です。 比較的軽質量のブラックホールの候補は，銀河系の中にかなりの数見つかっています（おもにＸ線による観測による）。超重量の恒星が進化の最終段階として超新星爆発を起こし，その残存物としてブラックホールが作られます。 銀河中心部に巨大なブラックホールがあることが分かってきました。クェーサー，電波銀河では，中心部の狭い領域から莫大なエネルギー（例えば１秒間に10^46エルグ＝10^39Ｗ〜太陽の10兆個分）が放出されます。これらのエネルギー源は重力以外考えられません。重力により引き込まれたガスは回転しながら落ちていきます。このとき，位置エネルギーが落下時に解放され，放射になります（放射以外にジェットを出す）。エネルギー変換効率は6％程度と非常に大きくなります（水素核融合では，〜0.7％）。 ブラックホール周辺には，落下しつつあるガスやちりにより降着円盤が形成されます。この内部での数百万度の摩擦熱により，電波やX線としてエネルギーが解放されるのです。このため，降着円盤はほとんどの波長で光って見えます。 ガス円盤中の原子や分子の励起状態が，雪崩的な遷移をおこし，強力な電波（マイクロ波）を発生する現象が観測されています。この現象はメーザーと呼ばれます。NGC4258 (M106，りょうけん座)の活動銀河中心核(AGN)からの水メーザー（22GHz，1.3cm）のVLBI観測が日本・アメリカグループによってなされました（Nature 1995/1/12号）。このスペクトルの解析により，ドップラー効果からガスの回転速度を決定（秒速770〜1080km），メーザー源の範囲，分子ガス円盤の形状，中心のブラックホールの質量（太陽の3600万倍の質量が半径0.4光年の範囲に）が判明しました。さらに，われわれからの距離の正確な情報（2350万光年）が得られています。2001年には同様にIC2560（ポンプ座）が観測され，われわれからの距離（8500万光年），質量（太陽の280万倍）がわかりました。 一般に，活動的銀河中心（必ずしもぴったり中心ではないが）には太陽の1000万倍〜１億倍の質量の巨大ブラックホール（M87では太陽25億個分）があり，その半径は１天文単位程度，その周辺の降着円盤の大きさは0.01光年程度のようです。これを電波でみるにはVSOPなど地球を超えたスケールの干渉計が必要となりますが，将来的に十分観測可能です。 ちなみに，われわれの銀河（銀河系）の中心部には太陽質量の260万倍のブラックホールがあるとされています。 ＊重力レンズ効果 質量の大きい天体の近くでは，時間や空間が「ゆがんでいる」ので，天体の背後からの光は曲げられます。また，場合により，いくつもの像がわれわれに観測されることとなります。 太陽により恒星の光が曲げられる，すなわち側に太陽があると，恒星の天球上の位置は見かけ上，ずれます。1919年，日食時に観測され，一般相対性理論，いや，アインシュタインの名が不朽のものとなりました。この場合，単に曲げられて位置が変わって見えるだけなので，「光線の湾曲」とよび，レンズ効果とはあまり呼びませんが，もちろん原理的には同じです。 クェーサーで重力レンズが見つかったのは20年以上前のことですが，可視光では，ハッブル宇宙望遠鏡による，銀河の写真のインパクトは強烈です。 VLBIでならミリ秒くらい離れた像を見ることができますので，細かいところも十分解析できます。もちろん，電波も光同様電磁波ですので，重力レンズ効果を被るわけです。 さて，惑星でもレンズ効果はおきるでしょうか？今年（2002年）9月8日，QSO J0842+1835の3.7分のところを木星が通ります。電波の道筋による時間の遅れ（137ピコ秒），その動的過程（重力の伝搬による遅れ6ピコ秒）がVLBIで観測できるという考察がなされています。 ＊重力波 電磁波と同じように，源から離れた空間を波の形で重力エネルギー（時空の歪み）が光速で伝搬することができます。これはニュートン重力ではけっして導かれません。 地上での検出装置は日本，アメリカなどで建設されています。割合にして10^-20程度の伸び縮みの検出を目指します。 天体とわれわれの間の重力波が，天体からの電波の到達の遅れとして観測できると思われます。重力レンズ効果観測へ影響してきますので，その解析によって重力波の存在がわかるかもしれません。 ＊その他 宇宙論においても電波観測は重要です。三角測量の要領で，天体の距離を精密に測ることができます。VLBIで0.001秒まで視差がはかれれば，1000pcまでの距離の直接測定可能です。 宇宙における距離の決定は，宇宙の膨脹，その歴史的進化，加速はどのくらい続いたのかを精密に決めることに不可欠です。これは宇宙の起源，銀河の起源を探るのに非常に重要です。 電波望遠鏡による観測およびあらゆる波長での観測が，アインシュタインの予言の正しかったことを証明し，そして宇宙の神秘を解き明かしていくことでしょう。 参考文献 ２１世紀こども百科　宇宙館　小学館 ＮＨＫスペシャル　宇宙　未知への大紀行　４　ＮＨＫ出版 粟野諭美ほか　マルチメディア宇宙スペクトル博物館＜電波編＞　裳華房 柴田一成ほか編　活動する宇宙　裳華房 吉岡一男　宇宙の観測　放送大学テキスト 半田利弘　はじめての天文学　誠文堂新光社 尾崎洋二　宇宙科学入門　東京大学出版会 岡村定矩編　天文学への招待　朝倉書店