研究ノート
ブラックホールのエネルギ輻射のモデル化
2025.9.4
五十川晋一

目的

 ブラックホールは体積に対して相対的に質量が巨大=極めて高密度な天体と考えられている。
ニュートンの万有引力定数は6.672e-11という微細な値であるが、質量が巨大であれば万有引力=重力も巨大となる。
仮に地球上で起こる地盤沈下のような現象が起きれば天体は縮退して小さくなり、密度は大きくなる。
天体が退縮し、自身の密度が増す毎に重力が大きくなる事が繰り返されれば、自身の重力に自身が潰れて行く事になる。
一般相対性理論によれば巨大な質量の存在により空間が曲り、光の進路が曲げられる事を利用してブラックホールの候補となる天体の探索が行われている。
1974年にホーキングはブラックホールは何物も閉じ込めてしまうのではなく、エネルギを輻射する可能性を提唱した。
本報では物理機能モデル手法を用いて物体の衝突という現象の模擬、観察によってエネルギ輻射の仕組みを考察する。
なお、物理機能モデル手法の詳細は補足資料に示した。

もくじ

●柔らかい物質について
●机上実験
 ・万有引力が働く2物体の物理機能モデル
 ・パラメータ
 ・試験条件
 ・結果
●考察
 ・ブラックホールのエネルギ輻射について
 ・物体の衝突について
 ・物体の柔性Hが熱エネルギへ変換されるメカニズム
 ・ブラックホールから輻射される熱エネルギの模擬
 ・物理機能モデルとド・ブロイの物質波
●まとめ
●参考文献

柔らかい物質について

 Fig.1参照
物質は点ではなく、長さ(空間)を持つ。
密度は均一ではなく、質点(重心)は物質内を移動する。
力fは質点に作用する=ニュートンの運動の法則
復元力fiは相対速度vrによって生じる=フックの変形の法則
物質は変形=伸縮しながら運動する。
これは物体全体が運動するか否かに関わらず、物体内部で質点が運動していると言う事である。
柔らかさ=柔性とは剛性の逆数であり、相対的なものである。
物質の質量に対して相対的な柔らかさという意味である。
こうした見方をする時、物質は粒子と波動の性質を併せ持つ。
[1]


Fig.1

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机上実験

●万有引力が働く2物体の物理機能モデル
 Fig.2にモデル図を示す。
このモデルは一次元方向に伸縮するバネと考えて差し支えない。
2つの物体間に万有引力が働いて伸縮しながら接近(運動)する。

Fig.2

●パラメータ
・質量m:2.0e5(kg)
・柔性H:2.0e−10(mN−1) (剛性kの逆数)
・長さL:0.2 (m) (万有引力ゼロ時)
・外径Φ:0.04(m)
・密度ρ:7.87e3 (kgm−3) (鉄の値を流用)
・比熱Cp:0.435 (Jg−1k−1) (鉄の値を流用)
・万有引力定数:6.672e−11(m3kg−1s−2)
・物体温度及び環境温度:10°(k)= -263.15(℃)

●試験条件
・2物体の隣接距離:1.0(m)
・片端固定で自由振動させ、0.1sec経過後に解放すると両物体は接近し、衝突する。 Fig.3参照
・サンプリング時間:0.1msec


Fig.3

●結果
 Fig.4に試験の全行程を両物体の隣接距離の時系列波形で示す。


Fig.4
・凡例は白:隣接距離、水色:重心間距離を示す。
・時刻0.1(s)で解放後、0.159(s)で衝突する。

 Fig.5に接近区間の時系列波形を示す。


Fig.5
・凡例は黄線:物体1、緑線:物体2を示す。
・上段左:復元力Fiは変動する。
・上段右:相対速度Vr(物体両端部の速度差)は変動する。
・下段:密度、および長さも変動する。
・これが二つの物体が伸縮しながら接近(運動)している様相である。

 Fig.6に同、接近区間の時系列波形を示す。


Fig.6
・上段左:接近に伴い、赤:物体1、黄:物体2の端部速度は伸縮により変動しながら増加してゆく。
・中段左:白:隣接距離、水色:重心間距離を示す。
・下段左:重力は重心間距離に反比例して急増するが、隣接距離<重心間距離ゆえに無限大にはならない。
・上段右:物体1のエネルギは物体自身の速度の増加、および復元力Fiの増加によって増加する。
・中段右:物体2のエネルギも同様。
・下段右:物体1、2のエネルギの総和。

 Fig.7に解放、接近、衝突後の時系列波形を示す。


Fig.7
・凡例は黄線:物体1、緑線:物体2を示す。
・上段:解放後、両物体は接近し、0.059秒後に衝突する。
・下段:衝突後は密度と長さが大きく変動している。

 Fig.8に同、解放、接近、衝突後の時系列波形を示す。


Fig.8
・上段左:衝突直前の両物体端部の速度は15.8(m/s)である。
・下段左:重力は重心間距離に反比例して急増するが、隣接距離<重心間距離ゆえに無限大にはならない。
・下段右:衝突後にエネルギは減衰しており、エネルギを外部に放出している事を意味する。

 Fig.9に衝突後の時系列波形を示す。


Fig.9
・上段左:物体の復元力Fiが降伏点Fvを超えると塑性域に入る。(白いプロット部分)
・上段右:Fvを超えないように塑性抵抗が生じ、物体は塑性変形している事を意味する。
・中段左:そのエネルギ分だけ柔性Hが増加=剛性kは低下し、降伏点Fvを超えないようにするリミッタ役となる。
・下段左:剛性kの低下と同時に質量も減少する。
・中段右:塑性抵抗によって消費されたエネルギが積算される。
・物体の柔性Hと降伏点Fvによって決まる寿命エネルギE = H・Fv2に達すると物体の塑性変形は止まり寿命を迎える。
・寿命は0.3240(s)であった。
・下段右:消費されたエネルギは熱エネルギとなって物体の温度がパルス様に立ち上がる。

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考察

●ブラックホールのエネルギ輻射について
 1974年の提唱以降、ブラックホールと目される天体のある方角からパルサーと呼ばれるX線や熱輻射と言った現象が観測されるようになり、現在ではそれらをブラックホールが持っている熱情報と呼ぶ事がある。
一方、地球上でも地震発生=地殻崩壊前後に電磁波が観測されることが知られるようになった。[2]
天体自身の退縮や地殻崩壊は突き詰めればその天体の構成原子同士の衝突という見方をすれば、物体が力を受けて塑性変形に至る際に熱輻射が起こるメカニズムがある筈である。
筆者はエネルギを蓄えている物体が衝突する際の熱エネルギへの変換過程を模擬しようと考えた訳である。

●物体の衝突について
 例えば機械工学の分野において衝突現象は自動車の分野では日常的に解析されている。
これは車体の変形量を意図した範囲に収める事がゴールであり、構造解析と呼ばれている。
原理的にはあらかじめ衝突速度を決め、車体を変形させる元になる運動量を原資にフックの法則に倣うものである。
知りたいのは変形量であるから短時間におけるエネルギ変化の過程に着目する必要は無く、塑性変形に伴う熱エネルギの出入りの計算までは行われない。
本報はブラックホールでは何が起きているか?が課題なので熱エネルギの出入りは無視出来ない。
これは物体が蓄えているエネルギが熱エネルギに変換される過程を正確に模擬する課題と言いえる。
物理機能モデルでは力学の双対性を踏まえ、速度(運動)エネルギと力(変形)エネルギを対で扱っており、変形(伸縮)しながら運動する物質に蓄えられるエネルギは以下のように定義される。

Ev = 1/2 m・v2  Ev:速度(運動)エネルギ、m:質量、v:バネ端部速度              (1.1)
Ef = 1/2 H・f2  Ef:力(変形)エネルギ、H:柔性、f:バネ復元力                (1.2)
E = Ev + Ef = const.                                 (1.3)

上式(1.3)は対になったエネルギの和は常に一定となる事からエネルギ保存則と呼べる。補足資料1参照

 次に、物体温度が0°(k)以上の場合は下記の熱エネルギも蓄える事が出来る。

Et = m・Cp・T  Et:熱エネルギ、m:質量、Cp:比熱、T:温度                      (1.4)

 式(1.1)~(1.3)は物体が伸縮しながら運動して初めて成り立つ。
水ヨーヨーを振るように物体の端部に速度変化を与えれば伸縮を始めるが、何もしなければ静止した状態を保つ。
静止した状態から伸縮させるにはエネルギが必要という意味であり、式(1.4)の熱エネルギEtもその原資となる。
熱エネルギEtは同じ内包量*1である力エネルギEfに変換出来るので、Et = Ef = 1/2 H・f2 の関係から力fが求められる。
これは、熱エネルギと力エネルギが等価な物理量である事を意味している。  補足資料2参照
この力fを最初にバネに印加しておくことで、物体が熱エネルギを蓄えて伸縮している事を表現出来る。*2
手順は補足資料9参照

 本報のような課題は車体の速度エネルギは衝突前に決まっているので解析とは切り離し、力エネルギの変化にのみ着目する構造解析とは異なる。
言い換えると構造解析は便宜的にニュートンの運動の法則とフックの変形の法則を切り分けていると言える。
伸縮する物体の衝突を模擬するには衝突後だけでなく、衝突前から伸縮の影響を考慮する必要があり、物理機能モデルはそうした課題に用いられる。
それは伸縮の伸び過程か、縮み過程かによって両物体が接触する位置と速度∝運動量が異なるからである。
すなわち物体が伸縮しながら運動~衝突するまでの過程を精密に観察したいという事である。
これは天体を質点=変形~伸縮しない完全剛体と見なす古典力学のアプローチとは異なる。
また、素粒子を変形~伸縮しない完全剛体と見なす量子力学のアプローチとも異なる。

*1内包量については補足資料3参照
*2:ド・ブロイの物質波と言え、物質全般はバネと見なす事が出来る。

●物体の柔性Hが熱エネルギへ変換されるメカニズム
 Fig.9で示した過程は以下の仮説を基にしている。

・復元力Fiが物体のFv(原子同士を引き付けている力=材料力学の降伏点に相当)を超えると物質から電子が遊離する。
・物体の柔性Hがエネルギに変換される→塑性域に入る。
・電子が遊離する際に塑性抵抗が生じ、物体は塑性変形する。
・そのエネルギ分だけ柔性Hは増加、逆に剛性Kは低下し、降伏点Fvを超えないようにするリミッタ役となる。
・これは "物体自身の剛性Kがエネルギに変換されて少しづつ柔らかくなる" とも表現出来る。
・剛性K低下と同時に質量も減少する。
・復元力Fiが物体のFvを超える度に塑性抵抗によって消費されたエネルギが積算されてゆく。
・それが物体の柔性Hと降伏点Fvによって決まる寿命エネルギE = H・Fv2に達すると寿命を迎える。

 この仮説は機械の繰り返し負荷による疲労寿命計算におけるマイナー則*3に倣ったものである。
塑性抵抗で消費されたエネルギは熱エネルギとなって物体の温度を上昇させる。
これは自動車が下り坂で制限速度を維持する為にブレーキを掛けると、

・自動車が持っている位置エネルギが熱エネルギに変換される。
・ブレーキは熱を持って赤い光を放つ。
・ブレーキの摩擦材の質量が減少し、摩耗紛となって大気中に飛散する。

事に相当する。
重要な事はこの時、自動車と地球を含めた総エネルギは変化していない=式(1.3)が常に成り立っている事である。

 筆者はこの仮説に至る過程で特殊相対性理論を以下のように解釈した。

・速度には光速c(ms-1) なる限界値がある。
・力には降伏点Fv(N) なる限界値がある。

E = m・c2:速度が光速を超えようとする限界条件では質量mはエネルギに変換される                (1.5)

補足資料に示した力学の双対性から式(1.5)と対になる以下の式がある筈である。

E = H・Fv2:力が降伏点を超えようとする限界条件では柔性Hはエネルギに変換される                (1.6)

・物質は限界力や限界速度を超えようとするとリミッタが働き、熱、光のようなエネルギに変換される。
・一般相対性理論における “空間が曲る” とは “変形” と同義であり、限界を超えれば塑性変形に至る。

この仮説、及び解釈は既研究ノート 物質破壊(崩壊)のモデル化で詳細に述べているので参照されたい。
また、光速については既研究ノート 光速に関する考察を参照されたい。
なお、このメカニズムはFig.2に示したモデル図の赤枠で示した機構モデルにプログラミングされている。


*3:マイナー則を以下に要約する。
 任意の機械システムについて繰り返し荷重F(N)で予備疲労試験を実施する。
L:変位(m)、S:応力(Nmm-2)、N:破損までの繰り返し数、Eb:破損までの累積エネルギ(J)とすると、

Eb = ∫F・L・N (J)  Eb=寿命エネルギと言う見方が出来る。

ここで荷重Fをp水準に振って疲労試験を実施すると破損までの繰り返し数Nがp個取得できる。
x軸:繰り返し数N、y軸:応力Sに取り、横軸を対数スケールにしてp個のプロットから現れる傾きをλとする。
実際に機械が稼働している時の実働荷重Fr、及び変位Lrは時々刻々変動するので、
Fr(t):実働荷重(N)、Lr(t):変位(m)、Er:累積エネルギ゙(J)とすると、以下の関係がある。

Er = ∫(Fr(t) / F)λ・Lr(t) dt  Er=予備疲労試験時の荷重Fを基準にした累積疲労エネルギという意味合いである。

ここで、累積疲労エネルギErが寿命エネルギ゙Ebに到達した時刻tを寿命とする。
本報では寿命エネルギE = H・Fv2と置いており、これは、
E = (F / L)・Fv2 と書き換えられるが、F、L、及びFvは上記の予備疲労試験時に判明する。
これは、フックの変形の法則が成り立つ=塑性変形域に入る限界力を知るという意味である。

●ブラックホールから輻射される熱エネルギの模擬
 上記の仮説に従えば、天体自身が退縮したり天体同士が衝突した際に塑性変形が短時間に収まるか、持続するかは両天体の降伏点Fvと固有振動数、すなわち質量mと柔性Hの値に因って決まるという事になり、次の2ケースが考えられる。
Fig.9で示したパルス様に立ち上がる温度を参照

・塑性変形し切って寿命を迎えた場合は熱輻射は止まる。
・塑性変形が微小な場合、寿命は長くなり、長期間に渡って周期的な熱輻射が続く。

また、熱輻射が続いている間はブラックホールの質量は逐次減少してゆくと予測される。

●物理機能モデルとド・ブロイの物質波
 物理機能モデルは質量mと柔性Hを対にしており、物質を振動(伸縮)しながら運動する、すなわち粒子と波動の性質を併せ持つ様相が表現されている。
これはド・ブロイの物質波=どんな物質も振動を伴っているという見方と同じである。 補足資料参照
但し、ド・ブロイの物質波は量子力学的な見方から出発しており、柔性Hという発想はしていない。
詳細は既研究ノート ド・ブロイ波は正弦波では無いを参照されたい。

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まとめ

お互いに万有引力が働く2つの伸縮する物体の接近~衝突を模擬し、以下の知見を得た。
物体の衝突を模擬するには衝突後だけでなく、衝突前から伸縮の影響を考慮する必要がある。

それは伸縮の伸び過程か、縮み過程かによって両物体が接触する位置と速度∝運動量が異なるからである。
これは天体を質点=変形~伸縮しない完全剛体と見なす古典力学のアプローチとは異なる。
また、素粒子を変形~伸縮しない完全剛体と見なす量子力学のアプローチとも異なる。
地球上で地震発生前後に電磁波が観測される事例を参考に、物体が力を受けて塑性変形に至る際に物体の柔性Hが熱エネルギへ変換されるメカニズムの仮説を立てた。
この仮説により、天体同士の衝突による熱輻射が模擬できた。
輻射の仕方を予測すると、
・塑性変形し切って寿命を迎えた場合は熱輻射は止まる。
・塑性変形が微小な場合、寿命は長くなり、長期間に渡って周期的な熱輻射が続く。
・熱輻射が続いている間は天体の質量は逐次減少してゆく。
・これらは両天体の初期質量m、および柔性H、降伏点Fvに左右される。

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脚注・参考文献

脚注:
[1]:機械学会交通物流部門 連続講習会No.24-53 資料
  "物質の柔性が粒子と波動性に及ぼす影響"  五十川晋一 著 2024年 P15
[2]:地殻破壊の前兆現象としての電磁放射の特性に関する研究 藤縄幸雄 著 1995年 P162

参考文献:
・角田鎮男 ほか:製品開発のためのモデル化手法(展開と統合) 日本機械学会 [No.98 8]
 機械力学・計測制御講演論文集 98.8.17 20 ・札幌 )
・機械の力学 長松昭男 著 朝倉書店刊 2007年
・複合領域模擬のための電気・機械系の力学 長松昌男、長松昭男 共著 コロナ社刊 2013年
・次世代のものづくりのための電気・機械一体化モデル 長松昌男 著 共立出版刊 2015年
・機械学会交通物流部門 連続講習会No.12-5 資料
 "機械ー電気の統合モデルによるモデルベース開発" 角田鎮男 著 2021年
 "機械工学から見た相対性理論" 五十川晋一 著 2021年
・機械学会交通物流部門 連続講習会No.22-80 資料
 "機械工学から見たブラックホール" 五十川晋一 著 2022年
・機械学会交通物流部門 連続講習会No.24-53 資料
 "物質の柔性が粒子と波動性に及ぼす影響"  五十川晋一 著 2024年
・ホーキング、宇宙を語る―ビッグバンからブラックホールまで  林一訳 ハヤカワ文庫NF  1995年
・地殻破壊の前兆現象としての電磁放射の特性に関する研究 藤縄幸雄 著 1995年

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