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銀河系の中心にあるブラックホール「いて座A*」を初めて直接撮影！

彩恵りり

みなさんこんにちは！サイエンスライターの彩恵りりだよ！今回は、日本時間の2022年5月12日22時に世界同時に発表された、天文学の歴史の中も重大な発表について解説するよ！それは、私たちの銀河系の中心部にある超大質量ブラックホールのいて座A*を直接撮影することに成功した、という発表だよ！どこら辺がすごいのか、正直よくわかんない、って人もいると思うから、ちょっと長いけどこれから解説していくね！

いつもの…ニュースのポイント！

  • ブラックホールが存在することの直接的な証明となる画像の撮影はなかなか難しいよ。

  • 今回、イベント・ホライズン・テレスコープが、私たちの銀河系の中心部にあるいて座A*の撮影に成功したよ！

  • 3年前に発表されたM87の超大質量ブラックホールと合わせ、ブラックホールや銀河に関する研究が進むと思うよ！

そもそもブラックホールって何？

アインシュタインは "怪物" を生み出した！

1915年、アルベルト・アインシュタインは、現在の物理学の大きな柱の理論となる一般相対性理論を発表したよ。一般相対性理論では、質量のある物体は必ず時空をゆがめ、時空のゆがみこそが重力である、と述べていているよ。そして時空のゆがみが重力の強さに相当するものであり、さらにそこから様々な現象が予測されたよ！一般相対性理論はその後100年以上検証され、今ではニュートン力学以来の重力理論の大転換だとみなされているよ！

一般相対性理論の中で特に基本かつ重要な方程式は、今日ではアインシュタイン方程式と呼ばれるよ。これは$${G_{\mu\nu}+\Lambda g_{\mu\nu}=\cfrac{8\pi G}{c^4}T_{\mu\nu}}$$と書かれ、質量やエネルギーと時空のゆがみとの関係に対する方程式だよ。これを解くのは大変難しいよ。ところが世の中には天才がいるもので、発表からわずか1ヶ月後、カール・シュヴァルツシルトは、一般相対性理論で重力について記述するアインシュタイン方程式を解いたよ。

$${g=-c^2d\tau^2=-\left(1-\cfrac{\frac{2GM}{c^2}}{r}\right)c^2dt^2+\left(1-\cfrac{\frac{2GM}{c^2}}{r}\right)^{-1}dr^2+r^2\left(d\theta^2+\sin^2\theta d\phi^2\right)}$$

これがシュヴァルツシルトが解いた、シュヴァルツシルト計量の線素を表す方程式だよ。シュヴァルツシルトは、アインシュタイン方程式に導入する値をいくつか決めると、時空のゆがみが無限大、つまり重力も無限大となる1点である特異点が生じる、ということを発見したよ。さらに、特異点の質量に応じた一定の距離より内側では、時空のゆがみが激しすぎて、この宇宙の最高速度である光速度ですら抜け出すことが不可能な領域の存在が予言されたよ。式中の$${\cfrac{2GM}{c^2}}$$が、その抜け出せない球形領域の半径を表しているよ。

現在ではシュヴァルツシルト解と呼ばれるこの解は非常に奇妙で、特異点は一般相対性理論で生み出されるものなのに、特異点そのものの性質は一般相対性理論では決して予測することができない、という点が大問題だったよ。当初、シュヴァルツシルト解は数学的にはあり得ても現実の宇宙ではあり得そうにない値を前提に解かれていたことから、この "怪物" の存在も数学的なものであるとみられていたよ。

"怪物" を見つけるのは難しいよ

しかしながら、後に続く科学者たちの研究により、理論的にも観測的にも、この "怪物" はどうもこの宇宙に存在するらしい、いやこの宇宙にないとすると説明ができない現象がある、という風に見方が変わってきたよ。

光速度ですら抜け出せない領域があるということは、この "怪物" を目視した場合、それは真っ黒に見えるはずだから、やがてこの天体はブラックホールと呼ばれるようになったよ！また、光速度で抜け出せない領域からは何の情報も出てこない領域であることから、特異点周辺のこの領域のことを事象の地平面と呼ぶようになったよ。

ブラックホール周辺の極端な重力の強さは、宇宙で最もエネルギッシュな現象を起こす動力源となること、一方でそのサイズは非常に小さいことから、これまで様々な観測結果により、ブラックホールでないと説明ができない天文現象が次々に見つかり、ブラックホールの存在はもはや宇宙に不可欠とさえ見られていたよ。

それでも、最後の一押しとなったのは2019年に発表されたある写真だよ。それは、地球から見ておとめ座の方向に約5400万光年離れた位置にある銀河M87の中心部を撮影したものだよ。M87には、質量が太陽の約65億倍もある超大質量ブラックホールがあると予測されており、距離の近さと質量の大きさから、見た目の大きさが最も大きいブラックホールの1つとして観測対象となったよ。

ただし大きいと言っても、その大きさは月面に置かれたテニスボールと同じくらいのスケール。どんな最新の望遠鏡でも見えるものじゃないよ。単独の望遠鏡では、だけどね。

ブラックホールを直接 "視る" イベント・ホライズン・テレスコープ

穴が本体のドーナツ？

イベント・ホライズン・テレスコープは、世界中の電波望遠鏡が協力して観測を行うプロジェクトだよ！IRAM30m望遠鏡 (30-m / スペイン) 、アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計 (ALMA / チリ) 、アタカマ・パスファインダー実験機 (APEX / チリ) 、グリーンランド望遠鏡 (GLT / グリーンランド) 、ジェームズ・クラーク・マクスウェル望遠鏡 (JCMT / ハワイ) 、 ARO12m電波望遠鏡 (Kitt Peak / アメリカ) 、アルフォンソ・セラーノ大型ミリ波望遠鏡 (LMT / メキシコ) 、NOEMA (プランス) 、サブミリ波干渉計 (SMA / ハワイ) 、サブミリ波望遠鏡 (SMT / アメリカ) 、南極点望遠鏡 (SPT) が参加しているよ！ (画像引用元)

イベント・ホライズン・テレスコープは、世界中の電波望遠鏡が協力し、ブラックホールを直接撮影することを目指した国際研究プロジェクトだよ！地球の様々な場所にある電波望遠鏡が同じ場所を撮影することで、まるで地球の大きさと同じ直径を持つ電波望遠鏡が撮影したかのような解像度で、非常に小さいブラックホール周辺の構造をとらえようと試みたんだよ！そして観測対象の1つであるM87の超大質量ブラックホールについて、データ取得と解析が終了し、2019年に発表されたのが、現在では有名となったオレンジ色のドーナツのような画像だよ。

2019年に公開された、M87の中心部にある超大質量ブラックホールの画像だよ！ (画像引用元)

ドーナツの環は、ブラックホールの周辺を取り巻く高温のガスからの放射だよ。そしてドーナツの穴は、ブラックホールシャドウと呼ばれる領域だよ。ブラックホールは時空のゆがみが激しすぎて光も抜け出せないとは言ったけど、ブラックホールの外側の領域も相変わらず時空のゆがみが激しく、非常に極端な性質が現れるよ。外側では、光の軌道が曲げられてブラックホールに落ちたり、落ちはしないけどブラックホール周辺を永久に周回するようになる領域が存在するから、地球に光が届かず、真っ黒に見える "影" の領域があるんだよ。これをブラックホールシャドウと呼び、これがドーナツの穴にみえる部分だよ。

真にブラックホールの領域である事象の地平面は、ブラックホールシャドウの約2.5倍小さく、一般相対性理論で予測可能な大きさだよ。イベント・ホライズン・テレスコープがとらえたM87の中心部のブラックホールシャドウの直径は、一般相対性理論で予測される値と非常に精度よく一致していたよ。これらのことにより、M87の超大質量ブラックホールは、直接可視化された史上初のブラックホールとなったよ！

銀河系の中心はいて座の方向に

いて座A*は、銀河系の中心部にある強力な電波源だよ。 (画像引用元)

さて、イベント・ホライズン・テレスコープはM87を観測対象の1つとしたけど、もう1つ重大な観測対象があったよ。それは私たちの住む地球が属する銀河である銀河系 (天の川銀河) の中心部にあり、極めて強い電波を発するいて座Aの、更にその中の1つの天体、いて座A* (いてざエースター) だよ。地球から見ていて座の方向に、地球から約2万7000光年と極めて近い距離にあること、何より私たちが住む銀河にあることから、銀河系の誕生や進化を含め何らかの関わりが予測され、極めて重要な観測対象であることは疑いようのないものだよ。いて座A*の周辺を超高速で公転する複数の恒星があるなど、様々な観測結果により、いて座A*の正体は超大質量ブラックホールであることは疑いようのない状態であり、イベント・ホライズン・テレスコープの直接撮影はその決定打になるはずだけど、M87の方が先に発表されたよ。それにはいくつかの理由があったからだよ。

まず、いて座A*は距離が近く、そのために見た目の大きさも大きいことは確かだよ。しかしながら、質量が太陽の約65億倍と、超大質量ブラックホールの中でも最重量級であるM87とは違い、いて座A*は太陽の質量の約420万倍と、逆に超大質量ブラックホールとしては最軽量級だよ。そのため、見た目の直径は月面に置かれた野球ボールと、見た目の大きさそのものは偶然にも、M87の超大質量ブラックホールとほぼ同じだよ。加えて、その小さなサイズが観測の妨げとなったよ。

ドーナツはうまく隠されてるよ

この観測の妨げを説明するには、まずイベント・ホライズン・テレスコープがどのようにブラックホールを撮影したのかの説明しないといけないね。電波望遠鏡1つ1つ、1回1回の観測結果は極めて荒いもので、そのまま使えるものではないよ。しかしながら他の場所に置かれた電波望遠鏡のデータは、全く同時に観測しても、わずかな撮影場所の違いを反映した、わずかに異なったデータとなるよ。そしてこのわずかな違いの中でも、より同じような値と、より違うような値があるよ。

何回も根気強く観測を行うと、より同じような値が蓄積していき、この値は誤りがなさそうだと、逆により違うような値については、この値は切り捨ててもよさそうだと判断ができるよ。この判断は、もちろん人間ができるようなデータ量じゃないし、加えてデータはそのまま使えるものじゃないから、データ解析が必要になるよ。これにはスーパーコンピューターの力を必要とするし、無意識なバイアスがかかる可能性を排除するために複数の研究チームが異なる手法で解析する必要があるから、非常に時間がかかるものだよ。

理論や手法の構築、世界中の電波望遠鏡での観測、そしてデータ解析と、世界中の様々なジャンルの科学者が関わることでやっと実現したのが、イベント・ホライズン・テレスコープの成果なんだよ！

ご近所さんより気難しい同居人だよ

さて、いて座A*がＭ87より後の発表となったのは、観測やデータ解析に時間がかかったからという単純な理由もあるけど、もっと違う理由もあるよ。さっき観測値について、同じような値を蓄積させ、違うような値を切り捨てるって言ったけど、それは簡単にはいかないよ。どんな観測にも誤差が存在し、それは電波望遠鏡そのものの構造のゆがみや不具合、地球大気、宇宙に存在するガスやプラズマなど、電波を吸収、増強、屈折、散乱させる様々な要因が、いて座A*からやってくる光の強度をゆがめてしまうからだよ。

加えて、いて座A*そのものの活動も影響するよ。ブラックホール周辺で光を発する高温のガスは、ブラックホール周辺の時空のゆがみに引きずられ、ほとんど光の速さで公転しているよ。M87の超大質量ブラックホールは極めてサイズが大きいため、一周には最短でも数日かかるよ。一方でいて座A*は極めてサイズが小さく、一周にかかる時間は30分以下となるよ。一方で遠い距離からの電波は非常に弱いから、ちゃんとデータを取るにはなるべく長く露光時間を取る必要があり、理想的には天体が空に見えている12時間をフルに使いたいよ。

いわば、自分のしっぽをぐるぐる追いかける犬を撮影するようなもので、同じシャッタースピードでも、より元気に高速で回る子犬の写真はブレてしまうように、はっきりとしたデータが得られなくなってしまうよ。12時間の観測中にほとんど変化のないM87と違い、激しく変化するいて座A*は解析が困難で、だからこそ、M87の方が先に解析を終了し、公表されたんだよ。

いて座A*の直接撮影についに成功！

予測通りだからこそうれしいよ！

これが今回公開された、いて座A*の直接撮影画像だよ！中心部の色の濃い部分が、ブラックホールの強い重力の影響で光が届かないブラックホールシャドウ、周りのドーナツ状の構造は、ブラックホールに引き寄せられ熱せられ高温ガスから発せられた光を表しているよ。この光はブラックホールの重力によって曲げられていて、ブラックホールの裏側のような、普通の天体なら届かない方向から来た光も含んでいるはずだよ！なお、この画像はデータの統計処理で出されたもので、例えばドーナツ状構造の中で、特に明るく見える3つの点は、実際に何かの構造があるのか、それとも観測データや統計処理による偏りであって、実際には存在しない点なのかはまだ分からないよ。 (画像引用元)

M87の超大質量ブラックホールの写真の公開から3年、いて座A*の撮影には新たな研究機関が加わり、激しく変化する状況に対応する新しいデータ解析手法を構築したことで、ようやくいて座A*にある電波源を画像化することに成功したんだよ！得られた画像は科学者たちの予想通りで、そして予想通りだからこそとてもインパクトがあったよ！中心にブラックホールシャドウがあり、その縁取りにブラックホールに引き寄せられて熱せられ高温ガスから放出された光である、という構造は、全体から細部まで一般相対性理論で予測される通りだったよ。

特に、ブラックホールシャドウの直径は51.8±2.3マイクロ秒角で、これは事前に予測された値と一致しているよ！この直径から予測されるいて座A*の質量$${4.0^{+1.1}_{+0.6}\times10^6 \rm{M}_{sun}}$$ (太陽の質量の約400万倍) もまた、過去の観測値と矛盾しないよ。そして、Ｍ87の超大質量ブラックホールと画像を比べると、2つはよく似ているよね？これは偶然ではなく、理論的にそうなることが予測されるよ。

両極端だけど似ているよ

いて座A*とM87の超大質量ブラックホールの画像の比較だよ。M87に見える棒状の構造はジェットを表しているよ。ブラックホールの大きさは1500倍も違うけど、距離も2000倍違うから、偶然ではあるけど見かけの大きさはほぼ同じ大きさに見えるよ。そして大きさが大幅に違うのに見た目が一緒に見えるのは、大きさが全く違うブラックホールに同じ一般相対性理論が適用できるという説明になっているんだよ！ (画像引用元)

重要なのは、超大質量ブラックホールの中でも最重量級であるM87と、最軽量級であるいて座A*との間で類似した構造があることは、一般相対性理論が何度目かわからないくらいの実測検証に合格したことの証明と、ブラックホールは数学上の存在ではなく、実際にこの宇宙に存在し、さらにそれは理論で詳細を説明するのが可能、と言っているんだよ！

今後もまだまだ続くよ！

このドーナツは "おいしい" ！

今回新たにいて座A*が加わったことにより、両極端な性質を持つブラックホールのそれぞれの性質について比較して研究することが可能となったよ。2つのブラックホールの比較や更なるデータ解析、あるいは観測対象を増やすことによって、超大質量ブラックホールの性質、一般相対性理論や重力の性質、銀河の形成や進化とブラックホールの関わりなど、いまだに詳細が明らかとなっていない様々な天文物理学上の難題を解決するのに繋がるかもしれないよ。

今回公開されたいて座A*の画像は、1枚の写真ではなく、20万通りのパラメーターから最適と思われる数千で平均化を行う事で出力されたものだよ。その時に使用されるのは、似たような傾向のある値を集めるという手法だよ。似たような値で4つにグループ分けした結果は下にある4枚の画像で示されていて、グラフはグループの出現数を表しているよ。こうしてみると、出現が多い3つのグループはドーナツ状構造が見えるけど、出現が稀な1グループには見えないなどの特徴があるよ。 (画像引用元)

例えば、今回のいて座A*の画像はM87の超大質量ブラックホールよりも高解像度ではあるけど、M87に見られるような明確なジェット構造は見つからなかったよ。今回の解析をさらに進めれば、薄いジェットを観測できるかもしれない、という期待があるよ！

一方で、いて座A*の理論よりずっと活発な活動など、まだ理論と実測の矛盾を解明できていない点も残っているよ。いて座A*の変化が激しく動画の撮影が困難なことから、観測装置の更新など、これを解決する方向へとシフトしていけば、より詳細に迫れる可能性もまだまだあるよ！

世界は協力できる！

こういった研究は、1人1チーム1国でなしえるものではなく、たくさんの国々と人々が知恵と予算と機材を共有することで初めて成果を得られるよ。こういった超大規模な研究はどんどん増えており、それから新発見や新理論などが生まれる可能性も大いにあるわけだから、科学の世界では国際協力がますます欠かせないものになっているんだよ！

文献情報

主論文

  • The Event Horizon Telescope Collaboration. "First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole in the Center of the Milky Way". The Astrophysical Journal Letters, 2022; 930 (2) L12. DOI: 10.3847/2041-8213/ac6674

  • The Event Horizon Telescope Collaboration. "First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. II. EHT and Multiwavelength Observations, Data Processing, and Calibration". The Astrophysical Journal Letters, 2022; 930 (2) L13. DOI: 10.3847/2041-8213/ac6675

  • The Event Horizon Telescope Collaboration. "First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. III. Imaging of the Galactic Center Supermassive Black Hole". The Astrophysical Journal Letters, 2022; 930 (2) L14. DOI: 10.3847/2041-8213/ac6429

  • The Event Horizon Telescope Collaboration. "First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. IV. Variability, Morphology, and Black Hole Mass". The Astrophysical Journal Letters, 2022; 930 (2) L15. DOI: 10.3847/2041-8213/ac6736

  • The Event Horizon Telescope Collaboration. "First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. V. Testing Astrophysical Models of the Galactic Center Black Hole". The Astrophysical Journal Letters, 2022; 930 (2) L16. DOI: 10.3847/2041-8213/ac6672

  • The Event Horizon Telescope Collaboration. "First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. VI. Testing the Black Hole Metric". The Astrophysical Journal Letters, 2022; 930 (2) L17. DOI: 10.3847/2041-8213/ac6756

補足論文

  • Joseph Farah, et.al. "Selective Dynamical Imaging of Interferometric Data". The Astrophysical Journal Letters, 2022; 930 (2) L18. DOI: 10.3847/2041-8213/ac6615

  • Maciek Wielgus, et.al. "Millimeter Light Curves of Sagittarius A* Observed during the 2017 Event Horizon Telescope Campaign". The Astrophysical Journal Letters, 2022; 930 (2) L19. DOI: 10.3847/2041-8213/ac6428

  • Boris Georgiev, et.al. "A Universal Power-law Prescription for Variability from Synthetic Images of Black Hole Accretion Flows". The Astrophysical Journal Letters, 2022; 930 (2) L20. DOI: 10.3847/2041-8213/ac65eb

  • Avery E. Broderick, et.al. "Characterizing and Mitigating Intraday Variability: Reconstructing Source Structure in Accreting Black Holes with mm-VLBI". The Astrophysical Journal Letters, 2022; 930 (2) L21. DOI: 10.3847/2041-8213/ac6584

参考文献

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