【TED-Ed】ブラックホールを利用するために

 

from: TED-Ed

もしもブラックホールのエネルギーが利用できたら？

Could we harness the power of a black hole?

遠い未来を想像してみてください 

Imagine a distant future 

人類が淡い青い色をした地球を離れ 

when humans reach beyond our pale blue dot, 

何千光年も先にある惑星に都市をつくり 

forge cities on planets thousands of light-years away, 

貿易と輸送の銀河網が整備されています 

and maintain a galactic web of trade and transport. 

そのような文明に飛躍するためには 何をしたらよいのでしょう？ 

What would it take for our civilization to make that leap? 

考えることはたくさんあります 

There are many things to consider— 

コミュニケーションをどうとるのでしょうか？ 

how would we communicate? 

銀河政府は どんなものになるでしょうか？ 

What might a galactic government look like? 

そして その中でも最も重要なものとして 

And one of the most fundamental of all: 

その文明を動かすのに十分なエネルギーは どこで得るのでしょうか？ 

where would we get enough energy to power that civilization— 

そこでの産業 惑星改革事業 そして 宇宙船のためのエネルギー源のことです

its industry, its terraforming operations, and its starships? 

ニコライ・カルダシェフという天文学者が 文明の進化に伴い増加するエネルギー需要量を 測る物差しについて提案しました 

An astronomer named Nikolai Kardashev proposed a scale to quantify an evolving civilization’s increasing energy needs. 

私たちがいる現在のような 初期の進化過程において 

In the first evolutionary stage, which we’re currently in, 

化石燃料 太陽光パネル 原子力発電所の様に 惑星を拠点とした燃料源は おそらく太陽系内の他の惑星で 定住するのには十分ですが 

planet-based fuel sources like fossil fuels, solar panels and nuclear power plants are probably enough to settle other planets inside our own solar system, 

その域を越えるには不十分でしょう 

but not much beyond that. 

第３段階かつ最終段階にある文明にとって 

For a civilization on the third and final stage, 

銀河規模の拡張には 太陽が毎秒放出する 385ヨタジュール(10の24乗J)の 約1000億倍の エネルギーが必要になります 

expansion on a galactic scale would require about 100 billion times more energy than the full 385 yotta joules our sun releases every second. 

斬新な物理学によって 突破口が開かない限り 

Barring a breakthrough in exotic physics, 

需要を満たし得るエネルギー源は １つしかありません 

there’s only one energy source that could suffice: 

超大質量ブラックホールです 

a supermassive black hole. 

ブラックホールをエネルギー源と考えるのは 直観と相いれないですが 

It’s counterintuitive to think of black holes as energy sources, 

降着円盤のおかげで ブラックホールは まさにエネルギー源となるのです 

but that’s exactly what they are, thanks to their accretion disks: 

膠着円盤とは事象の地平面に落下した 物質により形成された円形で平らな構造物です 

circular, flat structures formed by matter falling into the event horizon. 

角運動量が保存されるため 

Because of conservation of angular momentum, 

そこにある粒子はブラックホールに まっすぐ落ちていくわけではありません 

particles there don’t just plummet straight into the black hole. 

むしろ ゆっくりと渦巻き状に 吸いこまれていきます 

Instead, they slowly spiral. 

ブラックホールの強烈な重力場のため 

Due to the intense gravitational field of the black hole, 

これらの粒子は 事象の地平線に近づくにつれ 粒子の位置エネルギーを 運動エネルギーへと変えていきます 

these particles convert their potential energy to kinetic energy as they inch closer to the event horizon. 

粒子の相互作用により この運動エネルギーは 宇宙空間に放射されます この時の 物質からエネルギーへの変換効率は 驚くべき値になります 

Particle interactions allow for this kinetic energy to be radiated out into space at an astonishing matter-to-energy efficiency: 

回転していないブラックホールは6％ 

6% for non-rotating black holes, 

回転しているものは最大32％にもなります 

and up to 32% for rotating ones. 

これは核分裂を大幅に凌ぎます 

This drastically outshines nuclear fission, 

核分裂は 質量から エネルギー取り出す仕組みにおいて 現在のところ 最も効率的で 広く利用されている方法です 

currently the most efficient widely available mechanism to extract energy from mass. 

核分裂はウラン原子のわずか0.08％を エネルギーに変えます

Fission converts just 0.08% of a Uranium atom into energy. 

この反応を利用する手掛かりは おそらく ― 物理学者フリーマン・ダイソンが考案した ダイソン球という構造体にあるでしょう 

The key to harnessing this power may lie in a structure devised by physicist Freeman Dyson, known as the Dyson sphere. 

1960年代に 

In the 1960s, 

ダイソンは高度な惑星文明は 主星の周りに人工的な球体を設計し 

Dyson proposed that an advanced planetary civilization could engineer an artificial sphere around their main star, 

主星が発する全放射エネルギーを捉え エネルギー需要を満たすことが できるだろうと提言しました 

capturing all of its radiated energy to satisfy their needs. 

似ているけれど ずっと複雑な設計が 理論的にはブラックホールに適用できます 

A similar, though vastly more complicated design could theoretically be applied to black holes. 

エネルギー生産のために 

In order to produce energy, 

ブラックホールは 継続的に物質を吸い込む必要があるので 

black holes need to be continuously fed— 

球体で完全に覆うのは 好ましくないでしょう 

so we wouldn’t want to fully cover it with a sphere. 

仮にそうしても 

Even if we did, 

多くの超大質量ブラックホールの 両極から発射されるプラズマジェットは 

the plasma jets that shoot from the poles of many supermassive black holes 

どんな構造物も吹き飛ばして 粉々にしてしまうでしょう 

would blow any structure in their way to smithereens. 

その代わり ダイソンリングのようなものを 設計する方法もあるかもしれません 

So instead, we might design a sort of Dyson ring, 

それは遠隔操作による 巨大な捕集器でできています 

made of massive, remotely controlled collectors. 

それらはブラックホールを回る 周回軌道 ― 

They’d swarm in an orbit around a black hole, 

おそらくは 降着円盤のある平面上の ずっと遠い場所に近づくことでしょう 

perhaps on the plane of its accretion disk, but farther out. 

この装置は発電所に 回収したエネルギーを送るために 鏡のようなパネルを使用したり 貯蔵用のバッテリーを 使用したりできるでしよう 

These devices could use mirror-like panels to transmit the collected energy to a powerplant, or a battery for storage. 

この捕集器を ブラックホールから ちょうど良い距離に構築する必要があります 

We’d need to ensure that these collectors are built at just the right radius: 

近すぎると放射エネルギーで 溶かされてしまいます 

too close and they’d melt from the radiated energy. 

遠すぎると 利用可能なエネルギーの ごく一部しか回収できず 

Too far, and they’d only collect a tiny fraction of the available energy 

ブラックホールを周回している恒星の 影響を受ける可能性があります 

and might be disrupted by stars orbiting the black hole. 

完全なシステムを構築するためには 赤鉄鉱のような高反射性物質 地球数個分に加え 

We would likely need several Earths worth of highly reflective material like hematite to construct the full system— 

一群の建設ロボットを作るために 惑星を数個解体する必要があるでしょう 

plus a few more dismantled planets to make a legion of construction robots. 

ダイソンのリングが作られれば 技術的な最高傑作となり 

Once built, the Dyson ring would be a technological masterpiece, 

銀河の隅々にまで広がる文明に エネルギーを供給することができます 

powering a civilization spread across every arm of a galaxy. 

すべて荒唐無稽な憶測に 思えるかもしれませんが 

This all may seem like wild speculation. 

今でも 私たちはエネルギー危機にあり 

But even now, in our current energy crisis, 

地球の限られた資源の問題に直面しています 

we’re confronted by the limited resources of our planet. 

持続可能なエネルギーの新しい生産方法は 

New ways of sustainable energy production 

特に人類の種としての存続や 技術の進歩に向けての営みにおいて 常に必要とされるでしょう 

will always be needed, especially as humanity works towards the survival and technological progress of our species. 

もしかしたら これらの巨大な天体を 征服した文明が すでに存在しているのかもしれません 

Perhaps there’s already a civilization out there that has conquered these astronomical giants. 

ブラックホールから届く光が 周期的に暗くなることを観測することで 彼らの存在を見分けられるかもしれません 

We may even be able to tell by seeing the light from their black hole periodically dim

ダイソンリングの一部が途中を遮って 通過する際に暗くなるからです 

as pieces of the Dyson ring pass between us and them. 

あるいは この超構造体は理論の領域に 留まる運命なのかもしれません 

Or maybe these superstructures are fated to remain in the realm of theory. 

それを知りえるのは 時の経過 そして 私たちの科学的な創意工夫だけなのです 

Only time— and our scientific ingenuity— will tell.