光子球

光子球とは

光子球（こうしきゅう）とは、ブラックホールの事象の地平線の外側に存在する、光が周回している独特の構造を指します。この光子球は、まるで光の輪のように見え、どの位置から観察してもその見え方は変わりません。光子球の特徴的な点は、内部の光が強い重力によって進行方向を曲げられ、ブラックホールに吸収されてしまうため、内部の状態を観測することができないということです。実際には、光子球の内側は影になっており、この現象は「ブラックホールシャドウ」と呼ばれています。

光子球のサイズ

光子球の正確なサイズは、ブラックホールの特性によって異なります。自転しないブラックホールの場合、光子球の直径は事象の地平線の直径の約1.5倍になります。しかし、重力の影響により、地球から見る光子球（光子リング）の見かけの直径は事象の地平面の2.5倍に達することがあります。2019年には、M87のブラックホールの光子リングが観測され、重要な宇宙の謎が解き明かされることとなりました。

光子球の物理

シュワルツシルト・ブラックホールの場合、光子球の最も内側で安定している円軌道の半径は次の式で表されます。 \[ r = \frac{3GM}{c^2} = \frac{3r_s}{2} \] ここで、Gは重力定数、Mはブラックホールの質量、cは光速、rsはシュワルツシルト半径、すなわち事象の地平線を指します。この数式は、光子球がブラックホールや中性子星などの非常にコンパクトな天体の周囲にしか存在し得ないことを意味しています。

光子球は、事象の地平線よりも中心から離れた位置にあります。興味深いことに、光子球内部では、後ろから放出された光子が周回して前方に向かうため、自分の背中を見るような状況を想像することが可能です。

自由落下と運動

角運動量を持たないブラックホールでは、光子球の半径は3/2 rsとなります。この半径よりも小さな自由落下の軌道は存在せず、光子球面を横切る全ての自由落下軌道はブラックホールに吸い込まれることになります。一方、光子球の外側から内側へと向かう軌道は、最終的にブラックホールに落ち込むか無限遠に向かうかのどちらかです。このため、光子球内には持続的な自由落下状態の軌道は存在しませんが、加速度を加えて宇宙船や探査機を事象の地平線上にホバリングさせることは可能です。

遠心力の特性

光子球にはもう一つの重要な特性があり、それは遠心力の反転です。光子球の外では、物体が軌道を回れば回るほど外向きの遠心力が強まりますが、光子球面においてはこれがゼロになります。このため、物体はどのような速度であっても同じ重さとなり、光子球内では逆に加速された運動がより大きな内向きの力を生じます。このような現象は、内部の流体の流れに大きな影響を及ぼします。光子球は、宇宙の神秘を解き明かす鍵となる重要な構造です。

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