ブラックホールは「ズボン」の形に二つに裂けるか。熱力学はふつう禁じるが、限界まで速く回っていて小さな子を産むときだけ、物理法則は窓を閉じきらない

2026.10.29
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2つのブラックホールがぶつかって1つになる「合体」は、重力波の観測で何十回も確かめられてきました。では、その逆はあるのでしょうか。1つのブラックホールが2つに裂ける。南デンマーク大学とナポリ大学フェデリコ2世の Francesco Sannino さん、フランス国立科学研究センター（CNRS）の Giacomo Cacciapaglia さんらの理論グループが、この「分裂」が物理法則の中でどこまで許されるかを調べました。答えは「ほとんど無理。ただし、限界まで速く回っているブラックホールなら、わずかに窓が開く」。論文は2026年10月22日、Physical Review D に掲載されました。

熱力学が「裂けるな」と言う理由

ブラックホールの分裂を禁じているのは、意外にも熱力学です。ブラックホールには「エントロピー」という量があり、その大きさは事象の地平面（光も出られなくなる境界）の表面積に比例します。これはベッケンシュタインとホーキングが1970年代に見つけた関係で、「面積則」と呼ばれます。熱力学の第二法則によれば、閉じた系のエントロピーは減りません。ブラックホールの場合は、地平面の面積の合計が減らない、ということになります。

ここで、回転していないブラックホールが2つに裂けたとします。質量が2つに分かれると、それぞれの地平面の面積の合計は、もとの1つの面積より必ず小さくなります。面積則に反するので、この分裂は起きません。合体のほうは面積が増えるので問題なく、だから一方通行なのです。

研究チームはまず、この禁止がどこまで固いかを確かめました。回転していないシュワルツシルト・ブラックホールでは、一般相対性理論の範囲で分裂は禁じられます。ここまでは教科書どおりです。

回転が開ける、小さな窓

話が変わるのは、回転しているカー・ブラックホールです。回転するブラックホールの地平面の面積は、質量だけでなく回転の速さにも左右されます。速く回るほど、同じ質量でも面積は小さい。すると、速く回る1つのブラックホールが、ゆっくり回る2つに分かれるとき、面積の合計が増える場合が出てきます。エントロピーの面では、分裂が許される余地があるのです。

ただし、研究チームはそこで止まりませんでした。Sannino さんは南デンマーク大学の発表で、できた2つのブラックホールは「すぐに落ち合って元に戻るのではなく、互いに離れていけなければならない」と説明しています。分かれた2つが十分な速さで離れられるか、というのは運動学（運動量とエネルギーの収支）の問題です。この条件を加えると、エントロピーが許していた範囲は大きく閉じてしまい、残るのは、ブラックホールが理論上の最大に近い速さで回っている場合だけでした。

裂けるとき、地平面はどんな形をたどるのか。研究チームの計算では、1つの筒が途中で2本に分かれる、ズボンのような形になります。片方の脚から1つ、もう片方の脚からもう1つのブラックホールが出ていく。論文の題名にある「ズボン型のトポロジー（pair-of-pants topology）」はこの形のことで、もともとは数学で、曲面が2つに枝分かれする形を指す言葉です。

ブラックホールは「ズボン」の形に二つに裂けるか。熱力学はふつう禁じるが、限界まで速く回っていて小さな子を産むときだけ、物理法則は窓を閉じきらない

アインシュタインの先で、何が変わるか

研究チームは、一般相対性理論そのものを少し超えた場合も調べています。空間に余分な次元がある理論では、ブラックホールに似た細長い天体が不安定になって千切れる現象（グレゴリー＝ラフラム不安定性）が以前から知られています。回転するブラックホールのまわりで波が増幅される「超放射」という現象も、条件によっては分裂を助けるかもしれません。さらに、エントロピーや地平面の大きさと質量の関係を書き換えるような修正重力の模型も検討しました。

こうした場合には、小さなかけらを放出することがエントロピーの面で有利になる、という結果が出ました。とくに、分かれた2つの大きさが大きく違うとき、つまり親からごく小さな子が飛び出すときです。ただし、エントロピーが許すことと、実際に起きることは別です。起きるかどうかは、やはり最初の状態の運動学で決まる、と論文は念を押しています。

見つかるとしたら、ガンマ線で

では、どんなブラックホールが裂けやすいのか。Sannino さんは、宇宙の初期にできたとされる小さな「原始ブラックホール」のほうが、銀河の中心にあるような巨大なブラックホールより分裂しやすいと見ています。分裂の確率を1つの数字で言うことはまだできず、それは「アインシュタインの理論の先で重力がどう振る舞うか」にかかっていて、その定量化に取り組んでいるところだといいます。

もし分裂が起きるなら、合体のときに飛び出した小さなかけらが、ホーキング放射で蒸発しながらガンマ線を出すかもしれません。Sannino さんは、フェルミ・ガンマ線宇宙望遠鏡（Fermi-LAT）のような観測装置で、そうした信号を探せる可能性を挙げています。

この研究は理論の計算で、観測が分裂をとらえたわけではありません。それでも、「ブラックホールは裂けない」という常識に、どこまで条件を積めば裂けるのか、という問いを立てて、答えの輪郭を描いてみせました。ほとんどの場合は裂けない。でも、限界まで速く回っていて、小さな子を産むなら、物理法則はそれを完全には禁じていない。ズボンの形をした地平面は、その小さな窓の向こうにあります。

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