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ブラックホール内の景色

宇宙ブラックホール内の景色と、閉鎖空間の出来るメカニズム。


物理独自理論研究シリーズ(My 仮説) → English edition 英語版

2022/09/24 S.Asada 修正、追記は随時


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本論は私説の「宇宙の成り立ち、宇宙誕生のストーリ」についてある程度のご理解を頂いたものとしての論理展開となる。これの大まかな内容は「ビッグバン宇宙論」とは全く逆説的な宇宙論である。→「宇宙ブラックホール仮説

それは我々には観測不可能な領域にある外部空間という広大で高温、希薄な空間が舞台。そこに発生した巨大な「宇宙ブラックホール」のシュヴァルツシルト半径内を、我々の宇宙空間は落下過程であると想定している。


本論は我々の宇宙空間が宇宙ブラックホールの近傍で発生し、それがシュヴァルツシルト半径を超えて落下していくとき、そこに住む観測者がどのような光景を目にするのかを図解して解説する。曲がった時空間の図解は少し厄介だ それをこの飼い主が理解できるとは思えん 飼い主の趣味なんだから多少変でも付き合ってやろうぜ



1.本論を構築するために使用した理論、前提条件

本論は下記の理論、前提が正しいとして論理を構築している。私は下記が標準的な理論であり、それから導かれる結果だと判断しているが、部分的には私の拡張が入っているかもしれない。しかし大きく逸脱はしていないと思っている。


1-1.大質量星に観測者が近づいた時の現象(2者間の場合)

光は真空の空間では直進する。重力場で光が曲がって観測されるのは3次元空間が曲がっているため。光はあくまで直進している。なお、私の主張では重力場とは物質の真の質量による作用で時間速度の遅れた空間のことであるとしている。時間の遅れた空間では光速度もそれに比例して遅くなる。すると光路の重力屈折が起こり時間速度の遅い空間に向かって光路が曲がる。また時間速度の遅い空間では距離も時間速度比で縮む。そのため三次元空間は曲がってしまう。これが本論による重力場により曲がった空間の解釈となる。

Aを大質量の星とし、Bを観測者とする。Bから出た光がAの重力場で曲げられて、本来ならA以外に向かうはずだった光路もAに繋がったとする。この場合、Aから出た光も同じ光路を逆走するのでBからこの航路の直線延長上に等距離でAが存在する。等距離になる、というのが重要。あとで詳しく解説するが、二点間の光路はいずれも二点間の最短距離であり、従って等距離でもある。

もちろん下図のB-Aが直線で結ばれている場所にもBから見ると当然Aは存在する。これは光学効果でそのように見えるという現象ではなく、Bからこの二つの光路のどちらに光を放っても、同じ最短距離でAに達することを意味する。

光路の解説-1

実際の光路は無数にあるので、Bから見るとAが広がって見えるようになる。しかもこれは「見える」だけではなく、実際にAが広がってBを等距離で包んでいくような、曲がった3次元空間構造になっている。Aの重力的作用も同様に広がる。しかし従来の重力方程式では解明できない。これは本論の重力場の概念である、重力場とは時間の遅れた空間のことである、という理論を適用すれば解明できる。観測者から見て同一の時間速度ゾーンはを中心とする同心円となる。観測者を通る同心円が時間速度比1となり、間に事象の地平が存在する場合は、そこが時間速度ゼロの極限値となる。

ここで上図のようにAがある範囲で無数にある状態になった場合、全てのAについて前記の同心円を書いてみる。同じ時間速度のエリアが重なった場合、加算されるのではない。いくら重なっても同じ時間速度でエリアだけが加算され広がっていく。この手法でこのような大きな空間の曲がりがある場合でも重力勾配(時間速度勾配)の空間分布を求めることが出来る。


1-2.光の伝わり方

前記した様に曲がった3次元空間ではA⇔Bの2点間を結ぶ光路は無数にできる場合がある。しかしその光路は全てA⇔Bの2点間を結ぶ最短距離(直線)であり、すべて等距離となる。これは曲がった2次元面である地球表面で北極と南極を結ぶ最短航路は無数にあり、それの全てが等距離になるのと同じである。

光路の解説-2


1-3.ブラックホールの中(シュヴァルツシルト半径の内側)に入る

このような重力による空間をゆがめる効果が増大していくと、重力レンズ効果で大質量星Aは大きく拡大され、観測者Bを包み込むようになる。そしてBがAのシュヴァルツシルト半径を超えるとAが完全にBを包み込んでしまい、外部空間から切り離された閉鎖空間になる。

ここで間違ってはならないのは、シュヴァルツシルト半径を超えてブラックホールの中に入る、という事は「事象の地平を超える」という意味ではない。事象の地平にはその定義からして、どこまで落下しても決して到達しない。その意味では閉鎖空間もブラックホールの事象の地平の外に存在している事になる。

以下でAを巨大なブラックホール、Bをそこへの落下観測者として観測者が漆黒、極寒の事象の地平で包まれていく様子を図解する。

空間構造変化①

上図はブラックホールに近づいた観測者が体験する様子を示す。ブラックホールの重力場(本論では時間速度の遅くなった空間)で光路が曲げられることにより、観測者から見ると実際のブラックホール(事象の地平の径)よりも大きく見えるようになる。


空間構造変化②

上図はさらにブラックホールに近づいた観測者が体験する様子を示す。観測者から見るとブラックホールの辞表の地平面はさらに大きく見えるようになり、観測者の後方にまで広がり観測者を包み込むようになる。


空間構造変化③

上図はさらにブラックホールに近づき、ついにはシュヴァルツシルト半径を超えて落下したときの様子を落下観測者の目線で示す。覆いかぶさるように迫っていた事象の地平面は観測者を完全に包み込んでしまう。これはブラックホールの事象の地平の外側ではあるのだが、孤立した閉鎖空間であり、外部との連絡や脱出は不可能になる。事象の地平面は絶対零度なので、それに包まれた閉鎖空間は絶対零度に向かって冷却されていく。見ることはできないが、ブラックホールの中心核も落下観測者を完全に包み込んでいる。すべての方向に等距離で中心核が存在するので、重力が釣り合い、落下観測者は無重力状態となる。したがってブラックホールへの落下は慣性〈等速)運動になる。



1-4.前記ブラックホールを宇宙ブラックホールに置き換え、宇宙の誕生を解説

ブラックホールに観測者が落ち込むと閉鎖空間に包まれるという解説をしたので、ここではブラックホールを我々が属する大宇宙ブラックホールに置き換え、われわれの宇宙空間が出来上がったメカニズムについて図解する。下図は巨大な宇宙ブラックホール(シュヴァルツシルト半径数千億光年以上)に観測者が落下していく状態を解説したものである。落下とともに宇宙の初期状態から次第に現在の宇宙空間になるまでのメカニズムを解説している。


①宇宙ブラックホールの属する広大な外部空間はおそらくかなりの高温で密度は希薄な空間と予想する。存在するのは主に光エネルギーとダークマター(陽子ー反陽子結合体や電子ー陽電子結合体など)だと推定する。しかし物質の形で存在するかもしれない。

②そこに何らかの原因で質量、エネルギーの集積が起こり、ブラックホールが誕生した。それが外部空間のダークマター等を吸収し成長していき、現在ではシュヴァルツシルト半径は数千億光年以上のサイズに成長している。

③この宇宙ブラックホールの周辺には落下によりエネルギーを増加させた物質、エネルギー等が蓄積し、超高温で比較的高密度の層を形成している。その最外側は最も高温になるが、最内側は約3000Kの明確な境界を作る。なぜならそれよりも下側では電子が原子核に捕獲されて自由に光が通過できるようになる。するとブラックホールの事象の地平に向かって猛烈な放射冷却が起こり、絶対零度に向かって冷却されていく。

④このように、この宇宙ブラックホールを包む層は外層と内層では大きな温度差(10^15K程度)のある分布をしており、最外層は放射優勢、中間層ではダークマターから物質が対生成する。そしてその下の層では正物質と反物質の分離が起こる層があり、正物質とダークマターのみが宇宙ブラックホールに落下していく。これが我々の宇宙を創る原料になった。

前記したように最下層は約3000Kの黒体放射層となる。少し話が前後するが、ここは我々の宇宙との時間速度差が約1/1000になもなる事象の地平に近い場所に現在でも見えている。これはこの場所の時間速度が約1/1000なので、ごく初期宇宙であり、遠い昔の約3000K黒体放射空間が現在見えていることになる。なお、これより近くの空間は少し時間速度が速く、約3000K黒体放射層の下側で空間が急冷されていった時代になる。

そのため光は自由に通過でき空間温度も低いので、近くの層からは背景放射は届かない。背景放射層から我々の宇宙に背景放射が届くのを邪魔もしない。逆に時間速度が更に遅いもっと外側の層は、高温すぎて空間を光が自由に通ることができない。さらに来ようとしても約3000K黒体放射層で吸収される。

⑤落下観測者が更に落下してシュヴァルツシルト半径に近づくと下図の様に空間の歪みにより、事象の地平が観測者を包み込むようになる。さらに落下してシュヴァルツシルト半径を超えると事象の地平面が完全に包み込んでしまい、外部空間とは完全な別空間となる。これが我々が現在観測している宇宙の姿である。

⑥絶対零度の事象の地平面で包まれるとその空間は絶対零度に向かって冷却され続ける。これに抵抗するには時間速度が約1/1000の空間から来る、宇宙が閉じる前の約3000K黒体放射層からくる宇宙の背景放射くらいである。しかしこれも時間速度が1/1000の場所から来るので、エネルギーも約1/1000になり、温度にして約2.7Kでしかない。


202309173.jpg



1-3.シュヴァルツシルト半径と事象の地平の関係

この場合の事象の地平とは観測者に対して、その面から放射された光のエネルギーがゼロになって届く場所の事である。赤方偏移が無限大になる場所とも表現できる。これは光が重力場をさかのぼる事で重力ポテンシャル差のエネルギーを失う事による。これは従来理論による説明となるが、本論的には事象の地平とは時間速度がゼロになる場所の事であり、そこに近づくほど時間速度は遅くなる。

よくシュヴァルツシルト半径のところに事象の地平面が出来ると言われるが、これは観測者が遠方にいた場合に、シュヴァルツシルト半径の所が事象の地平面になるという事だ。しかしこれは観測者の状態によって全く違ったものになる。

観測者が自由落下でブラックホールに落ちていく場合で考えてみると、落下してシュヴァルツシルト半径に近づいていくと、事象の地平面を作る重力ポテンシャルの差が保てなくなり、その条件が満足するところまで事象の地平面が凹む。

つまり落下観測者から見てシュヴァルツシルト半径に近づくと事象の地平面は大きく凹んで、さらに観測者の側面、背面にも回り込んで包み込もうとする。そしてシュヴァルツシルト半径を超えた瞬間、事象の地平面の凹みがちぎれて泡の様に観測者を球形に包み込む。これの詳細は.以降で図解して解説する。


1-4.宇宙ブラックホールのシュヴァルツシルト半径内に落下した場合の状況

Aを超大質量の宇宙中心核だとし、数千億光年以上の巨大なシュヴァルツシルト半径を持つブラックホールだとする。そしてBはそのシュヴァルツシルト半径内を自由落下している観測者とする。

シュヴァルツシルト半径内ではBから出た全ての方向の光路は、外部に脱出することはできず全ての光路は曲げられて宇宙中心核に達するようになる。

つまり落下する観測者Bから発した全方向の光路は全て中心核Aに繋がる。ここでA⇔Bの2点間の光路は全て最短距離であり、等距離になるから、観測者Bから見ると全ての方向に中心核Aが等距離で存在するという空間構造になる。

ある時点で我々の宇宙から光が発せられ、1000億年かけて宇宙ブラックホール中心核に達するとする。するとその方向からは1000億年前に中心核の同じ場所で発せられた光が現在の我々に届き、それ(1000億年前の中心核)を観測できる。ただしこの場合は間に事象の地平が存在するので、そこまでしか見えないが。

このようにして観測者Bは中心核Aの表面で包み込まれてしまい、外部空間とは完全に切り離された閉鎖空間になる。ブラックホールからは脱出できない、外部世界と通信もできない、というのはこの空間構造による絶対的な制約となる。観測者が外部空間に逃げたくて全速で加速しても、どの方向に向かっても中心核に向かっていることになり、中心核から離れて外部空間に逃げたい、と希望しても方法がない。

また全方向の等距離に宇宙中心核が存在するのだから、その重力は打ち消され、無重力状態となり、そこを落下する観測者Bは加速度運動ではなく慣性運動(等速運動)になる。

これはシュヴァルツシルト半径を超えた瞬間から始まる。こうなると落下観測者Bの落下エネルギーは増えることなく中心核Aの重力勾配を下っていき、最終的には中心核Aにぶつかる。重力勾配を下っても落下エネルギーが増えないのは通常の常識ではない。

しかしこの特殊な空間構造により導かれる上記解釈により、落下物が無限の落下エネルギーを得るという従来理論の矛盾を回避でき、質量エネルギー保存則が守られる。また無限の圧縮で特異点が出来るという問題点も回避できる。


1-5.本論によるブラックホール内での景色と我々が観察する宇宙の景色の同一性

中心核Aと落下観測者Bの間には必ず事象の地平面が存在する。Bから見た事象の地平面とは、そこから発せられた光のエネルギーがゼロになってBに届く場所だ。光のエネルギーがゼロになって届く、というのは光ですら届かない、というのと同じ意味だ。赤方偏移が無限大になる場所ともいえる。

巨大なブラックホールとは宇宙ブラックホール(シュヴァルツシルト半径数千億光年以上)であると置き換えて考えてみる。落下観測者Bがこれに近づく初期段階ではブラックホールは事象の地平で包まれていた。観測者が落下を続けると事象の地平は凹み、さらにシュヴァルツシルト半径を超えると先に述べたように事象の地平ですっぽりと包まれてしまう。事象の地平は絶対零度で時間が停止している。そのため距離もゼロになる。我々から見ると球体半径138億光年の巨大な事象の地平に見えるが、実態は広がりがゼロの「点」である。大きく見えるのは重力レンズ効果による虚像であると解釈されやすいが、実際には点が球体半径138億光年に広がった空間構造であるとするのが妥当だ。


1-6.本論による宇宙の2.7K背景放射の説明

我々が観測している宇宙の2.7K背景放射とは、我々の宇宙をすっぽりと包む事象の地平近くで、赤方偏移が1000くらいの所の空間の過去の残像である。


我々が落下を続けてシュヴァルツシルト半径を超えたとき、空間が閉じ事象の地平で全天が覆われた。すると我々の周囲には外部空間からの光放射が完全に遮断される。すると空間に残った残光は次第に事象の地平に向かって吸収されていき、空間が冷却されていった。そして我々の近辺の空間からは残光は無くなっていった。ただし例えば一億光年の厚さの層から残光がなくなるのには、やはり一億光年程度かかる。これは光速度が有限であるための空間の畜光効果とでも呼べるものだ。それでも我々の周囲の空間は、空間が閉じてから十分な時間が経過したので残光は残っていない。


我々の認識する宇宙空間の構造は遠方空間ほど時間速度が遅くなっている。つまり遠方空間ほど落下を始めてからの時間経過が少ない過去の宇宙を見ていることになる。さらに遠方から我々に光情報が届くのは光速度が有限であるために時間がかかっている。この効果だけでも遠方空間では100億年以上、過去の姿を見ていることになる。従ってこの2つの時間遅れ効果を合わせると、我々が観測する遠方空間は数百、数千億年以上も昔の姿を見ている場合もあるだろう。


例えば事象の地平のすぐ近くで赤方偏移が1000に近い層では、遠方なので我々に光が到達するのに140億年程度かかっている。つまりそれだけ過去の姿だ。さらに赤方偏移が約1000ということは、時間速度も我々の空間の約1/1000という事だ。そのため我々の空間に比べ、初期宇宙の時からわずかしか時間の経過していない空間がそこにはある。


するとその場所はまだ空間が閉じておらず、外部空間の強烈な放射光に満たされた時代の空間だったのだろう。そこは宇宙ブラックホールの外部空間に形成された、宇宙ブラックホールを包みこむ超高温層である。そのなかでも最内側にある約3000Kの黒体放射層がその場所だ。そこは約3000Kの放射光であふれていた。そしてその光は遠方なので、そこから約140億年かけて我々の場所に届いた。さらにその場所は時間速度が我々の約1/1000なので、そこからの光は波長が約1000倍になる。それを我々は宇宙の背景放射として観測している。これが宇宙の2.7K背景放射の正体である。


この赤方偏移が約1000の空間の後ろには赤方偏移が1000を大きく超える空間もある。しかしそれらの空間からの光は空間温度が高すぎ光が自由に動けない。そのため光放射自体が少ないし、更に3000K黒体放射層の空間に達するまでに、ほとんど吸収されてしまう。そのため我々には赤方偏移1000の空間よりも遠方の光は届かない。


赤方偏移が約1000の層は過去の3000K黒体放射空間だった。黒体放射するという事はその中で光が行きかっており、熱平衡状態に近いことを意味する。そのためもともと極めて均質な温度分布だった。それに加えて赤方偏移が約1000の空間は時間速度が我々の時間の約1/1000であり、従って距離も1/1000に圧縮されている。背景放射を行っている層は全天に広がっているので広大に見えるが、実際には狭いエリアを見ているにすぎない。これらが宇宙の背景放射が極めて均等である事の理由の一つだ。ただし完全に均一というわけではなく、また物質の分布もムラがあるので、完全に均一な放射ではない。


また我々の空間も宇宙ブラックホールに対して公転と言うか落下方向と直角方向の運動成分を持っている可能性が大きい。従ってそれによる宇宙背景放射の偏りも生じている可能性がある。



2.宇宙ブラックホール内で裏返しの閉鎖空間ができる仕組みの詳細を図解


2-1.

観測者が星を観測した場合、その星の質量がさほど大きくなく、重力による光路の曲がりが無視できる場合には、星はそのままの大きさで見える。距離が十分に離れている場合も同様。

閉鎖空間-1



2-2.

質量の星に観測者が近づいていくと、重力場で光の進路(光路)が曲げられ、重力レンズ効果で星が実際よりも大きく見える。下図で説明すると、観測者に届いた光の直線延長上に星が見えるので、作図してみると大きく拡大されることがわかる。

閉鎖空間-2

※注:図の光路曲線は正確ではない。しかし曲線の正確さは本論の結論に影響しない。重要なのは、ある方向に発せられた光が最終的にどこに達するかだ。


2-3.

大質量の星に観測者がさらに近づいていくと、さらに大きく光路が曲げられ、観測者に覆いかぶさるように広がっていく。下図では視界のほとんどを大質量星が占めているだろう。

閉鎖空間-3

※注:図の光路曲線は正確ではない。しかし曲線の正確さは本論の結論に影響しない。重要なのは、ある方向に発せられた光が最終的にどこに達するかだ。


2-4.

大質量の星に観測者がさらに近づいていくと、さらに大きく光路が曲げられ、観測者を包み込むように観測者の後ろ側にまで回り込むようになる。

閉鎖空間-4

※注:図の光路曲線は正確ではない。しかし曲線の正確さは本論の結論に影響しない。重要なのは、ある方向に発せられた光が最終的にどこに達するかだ。


2-5.

大質量の星に観測者がさらに近づき、そのシュヴァルツシルト半径を超えて落下すると、大質量星の表面が完全に観測者を包み込んでしまい、逃げ道のない閉鎖空間になる。

閉鎖空間-5



2-6.

実際には全方向に大質量星が見えるわけではない。大質量星と観測者の間には等距離の所に事象の地平面ができ、これに観測者は完全に包み込まれ、その中心に観測者が浮いているように観測される。
真っ暗で温度が絶対零度の事象の地平で包み込まれて、その中心に浮いているように観測されるとすれば、我々の宇宙での状況と同じだ。

閉鎖空間-6




3.宇宙ブラックホール内の景色

宇宙の姿2022

時間モデル
                                                 

宇宙ブラックホールの巨大な重力で反転した裏返し空間、つまりブラックホール中心核が全天を被い、その手前にある事象の地平で包まれた、真っ暗で絶対零度に近い閉じられた空間が、我々の認識する宇宙である。


事象の地平近くまでの距離は138億光年程度と見積もられている。


我々の銀河も非常に高速度で落下しているので、中心核までの距離は等速で縮まっている。それに伴い、我々から見て最遠方にある事象の地平面付近までの距離も縮まっている。


落下速度は無限遠から障害なく落下した場合、シュヴァルツシルト半径の所で光速度に達するが、実際には落下過程で運動エネルギーの多くは熱エネルギーとなり、外部空間を高温に保つ事に使われる。そのため我々の宇宙の落下速度も高速とはいえ、光速度よりは相当に遅い。


他の銀河も我々とほぼ同速度で落下しているので、相対距離は変わらない。


上図では宇宙の中心核を便宜上、図示しているが、我々の宇宙空間は事象の地平面で終わっており、その先の中心核は我々の世界には存在しない。



4.光路に関する考察

光路は可逆的だ。Bから出た光が曲げられてAに達する光路が出来たとすれば、逆にAから出た光は同じ光路を通ってBに行く事ができる。しかしこれは通常の時間スケールでは問題ないが、宇宙スケールでは片道100億年以上かかることも普通にある。


現時点での我々の空間座標から出た光は、空間構造から予約された光路を通って中心核に向かう。しかしそれが到着するのは数百億年以上先の事だろう。


この予約された光路を逆にたどって、遠方銀河の光が現在の我々に届いている。それは数千年、数億年、数十億年以上昔に発せられた光が、ようやく我々に届く。


つまり我々と中心核を結ぶ予約光路というのはその瞬間にだけ存在し、その光路に過去に存在した天体が発した光が長い時間をかけて我々に届いている。我々はその過去の景色を見ていることになる。しかしこれは確定した現在形であり、実際の世界だ。


具体的には我々の銀河から発せられた光が最終的に中心核に至る光路が基本になる。これは未来形であり予約光路と呼んだものである。


この予約光路を逆流してきた光を我々は観測している事になる。しかし中心核から事象の地平までは我々の世界ではない。我々がぎりぎり観測できるのは事象の地平面近くから我々側の予約光路上に有る天体等からくる光である。












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