圧縮されると物体の回転速度はどう変化する？角運動量保存とブラックホール形成の物理を解説

恒星がブラックホールへと崩壊する際に「圧縮されると高速回転になる」という説明を耳にすると、「エネルギーが必要なのに本当にそんなことが起きるのか？」と疑問に思うことがあります。本記事では、直線運動との違いにも触れながら、角運動量保存と回転速度の関係をわかりやすく整理します。

圧縮されると回転速度はどうなるのか

結論から言うと、外部からトルクが加わらない限り、物体の角運動量は保存されます。

そのため、物体が縮んで慣性モーメントが小さくなると、回転速度は上昇します。

これはフィギュアスケート選手が腕を縮めると回転が速くなる現象と同じ原理です。

角運動量Lは「慣性モーメントI × 角速度ω」で表されます。

外部トルクがなければLは一定のため、Iが小さくなるとωは大きくなります。

つまり圧縮されると“勝手に速く回る”のではなく、保存則の結果として回転が速く見えるのです。

直線運動では、質量と速度がそのままエネルギーに関係しますが、回転運動は構造が異なります。

圧縮しても質量が変わらなくても、質量の分布（慣性モーメント）が変化します。

この違いが「速度は変わらないのでは？」という直感とのズレを生む原因です。

恒星が崩壊して半径が極端に小さくなると、慣性モーメントは劇的に減少します。

その結果、わずかな初期回転でも角速度は非常に大きくなり、高速回転天体になります。

実際のブラックホールでもスピン（回転）は重要なパラメータとして観測されています。

角運動量と運動エネルギーは密接に関係しますが、同一の量ではありません。

回転エネルギーは(1/2)Iω²で表され、圧縮によりエネルギー構造も変化します。

したがって「エネルギーが足りないから回転できない」という直感は物理的には成立しません。

圧縮される物体の回転速度は、角運動量保存則により一般的に増加します。

これはエネルギーの直接変換ではなく、慣性モーメントの変化によって生じる現象です。

ブラックホール形成時の高速回転も、この物理法則に従った自然な結果といえます。