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一度引き込まれたら脱出不可なのはなぜ？「ブラックホール」の原理を理系ライターが解説

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よぉ、桜木建二だ。撮影に成功したとニュースになっていたブラックホール。一度引き込まれたらそれまで。二度と這い上がってくることは出来ない。どんなに速いロケットを使っても脱出不可能。宇宙一速い「光」でさえ、脱出することが出来ない。したがって外から見ると真っ暗。

一体どんな存在なのか？理屈を理系ライターR175と解説していく。

この記事の目次

解説／桜木建二

「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。

ライター／R175

関西のとある国立大の理系出身。学生時代は物理が得意で理科の高校理科の教員免許も持っている。エンジニアの経験があり、教科書の内容に終わらず実際の現象と関連付けて説明するのが得意。

1.「光」でも脱出不能

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「ブラック」という名が付いている通り、外から見ると「真っ黒」。太陽やら月やら、ブラックホールじゃない天体は外から見ると何かしら光が観測される。天体から出る光は重力に負けず外に出て行くことが出来るから。

ところがブラックホールは違う。出ていこうとする光は重力に負けて外に出て行けない。時速11億キロという宇宙最高速度で移動する「光」でさえ脱出不可能です。なぜそんなことが起こりえるのだろうか。現在解明されていない部分も多いですが、この記事では原理ベースで解説します。

2.万有引力

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ブラックホールの説明に入る前に「万有引力」の解説に重点を置きます。そうすることで、ブラックホールへの臨場感が多少高まるからです。

さて、ブラックホールになってしまう原因が万有引力。「万有」という名の通り、実はどんな物体同士でもどんな空間でも働いている力。重力の元にもなっていますよ。定義はイラストの通り。

実際に数値を代入し、地球と石、地球とAさんの、Aさんと石の間に働く万有引力を計算してみましょう。

表の通り、実はAさんと石の間の万有引力も働いていますが、非常に小さい値となります。地球レベルの巨大な物体があって初めて万有引力は意味をなすわけです。

質量を持つ全ての物体に働く「万有引力の法則」について元理系大学教員が分かりやすく解説 – Study-Z ドラゴン桜と学ぶWebマガジン

3.万有引力と重力のズレ

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さて、質量10kgの石で万有引力が98.4Nとのことで重力と若干ズレていますね？何故でしょうか？よく考えてみてください。Aさんも石も地球の自転でものすごい速さで地軸の周りを回転していますね。仮にAさんと石が赤道上いるとしたら、24時間で地球1周分の4万キロ、時速1660キロ、463m/sという速さにで移動しています。その分だけ遠心力が働くことになりますね。

5分でわかる「重力」！どういう原理で重力が発生するか理系ライターが解説 – Study-Z ドラゴン桜と学ぶWebマガジン

自転による遠心力

遠心力の大きさはイラストの式で求められます。回転の中心に向かう「向心力」と同じ。ここに石の質量と地球の半径と自転による速度を代入してみましょう。すると、遠心力は0.3Nと求まりました。

向心力と遠心力の違いは？

image by Study-Z編集部

余談ですが、向心力と遠心力の違いをさらっとおさらいしておきましょう。上述にて遠心力を求めるのに向心力の式を使っていますが、両者を混同しないようにしましょう。

ざっくり言うと、向心力は回転している物を外から見た時に定義はされる力。回転している=直進しようとしてる物を常に真ん中に引っ張り続ける必要あり。外から見たら真ん中に引っ張り続けられないとおかしい。そのため向心力が定義されます。

一方遠心力は、回転している物自体に着目した時に定義される力。回転している物は半径方向にズレるわけではない。回転するために向心力が働くが、それだけだと徐々に中心に引っ張られ続けることになりますね。それはおかしいので、向心力の反対方向に働く力「遠心力」の定義が必要。回転中の物体に着目したら、向心力と遠心力両方働いていることになります。

向心力は回転運動が成立している時点で働いてるもの。中心に引っ張られているわけではありません。一方遠心力は、モロ外側に引っ張る力となります。回転運動中の物体は「外側に引っ張れている」状態です。

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