導入
ホーキング放射は、ブラック ホールを観察している観察者が、その表面から発せられる小さな黒体放射を検出できる現象です。この現象は、明らかな理由から、 「ブラック ホール蒸発」とも呼ばれます。これは 1975 年にスティーブン ホーキング博士によって予言されており、彼の最も重要な業績の 1 つと考えられています。
この現象の理論的発見は、ホーキング博士の発見の直前に開発され、温度とブラック ホールを関連付けることが可能であるに違いないことを示唆した、 ブラック ホール熱力学と呼ばれるブラック ホール研究の分野の正当化を提供しました。しかし、古典的なレベルでは、ブラック ホールは放射線を放出できないことが実証されました (これは、ある意味、ブラック ホールの定義でもあります)。このパラドックスは、スティーブン ホーキング博士によって解決され、量子起源の影響がそのような現象の根源にあることを実証しました。
ホーキング放射は、恒星の進化によって生じたブラックホールに対して非常に弱く、宇宙で間接的に検出された他のブラックホール（中間ブラックホールや超大質量ブラックホール）に対してはさらに弱いことが判明しており、その証拠は現時点では不可能であるということである。それは小さな（微細な）ブラックホールの存在によって可能になる可能性があります。このような物体は、ビッグバン(原始ブラック ホールのことです) 中に生成された可能性があり、素粒子物理学の標準モデルを超えた特定の理論の枠組み内で粒子加速器で生成された可能性さえあります。
ホーキング放射現象には運動学的に類似した現象があり、1976 年にこの現象を予測したカナダの物理学者ウィリアム・アンルーにちなんで名付けられたアンルー効果と呼ばれます。彼は、加速して移動する鏡を見ている観察者は、それが熱放射を発しているような印象を受けるだろうと予測しました。その温度はミラーの加速度に比例します。若干異なる文脈では、電場における荷電粒子の生成を説明するシュウィンガー効果は、ホーキング放射の静電的な類似物として見ることができます。
古典力学によるさまざまなプロセス、特にブラック ホールからエネルギーを抽出できるプロセス、つまりペンローズ プロセス、またはその波動の類似物、超放射をホーキング効果と混同しないでください。同様に、ブラック ホールを囲む降着円盤からのジェットによる物質の放出現象は、ブラック ホールの蒸発現象とは全く関係がありません。
ホーキング放射
場の量子理論(つまり、特殊相対性理論の枠組み内で適用される量子力学の法則) は、真空のゆらぎの存在を説明します。つまり、粒子と反粒子のペアは真空によって常に生成されます。これらの真空変動の影響は、素粒子物理学におけるカシミール効果や、水素原子内の電子のエネルギー準位のスペクトルにおけるラムシフトなど、さまざまな現象によって実証できます。
一般に、これらの粒子と反粒子のペアは、物理現象によってペアの典型的な寿命よりも短い時間で互いに分離できない限り、すぐに互いに消滅します。ホーキング効果の場合、ブラック ホールの地平線では、ブラック ホールの重力場によって発生する潮汐力が非常に強力であるため、粒子が消滅する前に粒子を反粒子から遠ざけることができます。 1 つはブラック ホールに吸収され、もう 1 つはブラック ホールから反対方向に遠ざかります (放出された粒子)。ヒューリスティック的には、ブラック ホールから遠く離れた観測者によって測定される反粒子粒子ペアのエネルギーは、2 つの粒子がブラック ホールのポテンシャル井戸に閉じ込められているという事実により負になります。概略的には、反粒子粒子ペア内のエネルギー分布により、遠くの観察者がプラスとみなすエネルギーを 2 つの粒子のうちの 1 つに与える、つまり重力場から逃れることができる、という可能性があります。このような場合、他の粒子の吸収は負のエネルギーの粒子の吸収として見ることができ、その質量の減少が生じます。放出された粒子のエネルギーは、ブラックホールの温度とともに増加します。限界温度以下では、光子や重力子、場合によってはニュートリノなどの質量ゼロの粒子でのみ放出が発生します。上記では、あらゆる種類の粒子の放出が可能ですが、この状況はブラック ホールの進化の最後の段階にのみ関係します。存在するほとんどの間、それらは質量のない粒子を放射します (下記を参照)。
