この超大質量ブラックホールはすごい

ブラックホールは宇宙で最も謎に包まれた物体の一つですが、ここ数年、天文学者たちはこれらの強力な真空を直接画像化する技術を開発してきました。そして、その技術はますます向上し続けています。

2017年に初めてブラックホールの写真を撮影した国際チーム、イベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）共同研究チームは、その研究に続き、ブラックホールの磁場を強調する観測を行った。そして今月、別の天文学者チームが同じ画像のAIシャープニング版を作成した。

ネイチャー誌に本日発表された新たな研究では、銀河にちなんでメシエ87（M87）と名付けられたこのブラックホールの画像には、2017年の観測で示唆されていたよりもはるかに大きな円状の破片が周囲に存在していることが説明されている。

理論上はブラックホールが存在すると長い間仮定されていたが、何十年もの間、天文学者は空にブラックホールがあるという間接的な証拠しか見つけられなかった。例えば、ブラックホールの巨大な重力が他の物体に影響を与えている兆候、例えば星が特に狭い、または速い軌道を描いている場合、それは別の巨大だが目に見えないパートナーの存在を示唆している。

しかし、2017年にすべてが変わった。EHTの世界規模の電波望遠鏡ネットワークが、地球から5700万光年離れた銀河の中心にある超大質量ブラックホールの目に見える最初の証拠を捉えたのだ。2019年に画像が公開されたとき、中央の黒い空間を囲むオレンジ色の火の輪は、映画「ロード・オブ・ザ・リング」の「サウロンの目」と比較された。

EHTは、天の川銀河の中心にある超大質量ブラックホールであるいて座A*を直接撮影し、2022年5月に黒い中心の周囲に燃えるようなオレンジ色のドーナツの別の画像を公開しました。

このような超大質量ブラックホールは、太陽の数十億倍の質量を持つことが多く、M87 は太陽の 65 億倍、いて座 A* は太陽の 400 万倍と推定されており、ほとんどの銀河の中心に存在すると考えられています。その質量の強力な重力は、近づきすぎたガス、塵、その他の余分な物質を引き寄せ、ブラックホールの縁、つまり事象の地平線に向かって落下する際に信じられないほどの速度で加速します。

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排水溝を回る水のように、落下する物質は螺旋を描きながら、降着円盤と呼ばれる平らなリングに凝縮されます。しかし、排水溝の周りの水とは異なり、降着円盤内の驚異的な速度と圧力により、膨張する物質が加熱され、強力な X 線放射を放出します。この円盤は、ほぼ光速で放射とガスのジェットをブラックホールから遠ざけます。

EHTチームは、M87が強力なジェットを発生させているとすでに推測していた。しかし、2番目の結果セットは、ブラックホールの周りの崩壊物質のリング状構造が、当初の推定より50パーセント大きいことを示している。

「これは、中心のブラックホールから噴出する強力なジェットに対してリングの位置を正確に特定できる初めての画像です」と、MITヘイスタック天文台の研究科学者でEHTの共同メンバーでもある秋山和則氏は声明で述べた。「これで、粒子がどのように加速され加熱されるのか、ブラックホールを取り巻く他の多くの謎など、より深く疑問に取り組み始めることができます。」

新たな観測は、ヨーロッパと米国を東西に走る12基の電波望遠鏡のネットワークであるグローバルミリ波VLBIアレイを使用して2018年に行われた。しかし、より正確な測定に必要な解像度を得るために、研究者らは南北の観測所も含めた。グリーンランド望遠鏡と、チリの高地砂漠にある66基の電波望遠鏡からなるアタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計である。

「これら 2 つの望遠鏡をグローバル アレイの一部として設置したことで、南北方向の角度解像度が 4 倍に向上しました」と、MIT ヘイスタック天文台の EHT 共同メンバーであるリン マシューズ氏はメディア向け声明で述べています。「これにより、観測できる詳細レベルが大幅に向上しました。そしてこの場合、その結果、M87 銀河の中心にあるブラックホール付近で機能している物理現象に対する理解が飛躍的に向上しました。」

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最近の研究では、2017年の最初の研究のように長さ1.3ミリメートルではなく、約3ミリメートルの電波に焦点を当てています。これにより、2017年の観測ではできなかった、より大きく、より遠いリング構造に焦点を合わせることができている可能性があります。

「波長が長いということは、通常、放出電子のエネルギーが低いということと関係があります」と、今回の研究には関わっていないハーバード大学の天体物理学者アヴィ・ローブ氏は言う。「ブラックホールから遠く離れると、波長が長くなり、より明るい放射が得られる可能性があります。」

今後、天文学者たちはブラックホールを他の波長で観測してその構造のさまざまな部分や層を明らかにし、このような巨大な宇宙の物体が銀河の中心でどのように形成され、銀河の進化にどのように貢献しているかをより深く理解することを計画している。

超大質量ブラックホールがジェットを生成する仕組みは「十分に解明されていない」とローブ氏は言う。「ジェットの基底と思われるものを観測したのは今回が初めてだ。理論物理学者はこれを利用して、M87ジェットがどのように発射されるかをモデル化できるだろう」

彼は、今後の観測で降着円盤内の一連の出来事が捉えられることを期待していると付け加えた。つまり、M87で何が起きているのかを映画にしたいということだ。

「ジェットの周りを動いているか、ジェットに向かって動いているかを追跡できるホットスポットがあるかもしれない」とローブ氏は述べ、それがブラックホールのような怪物がどのように餌を得るのかを説明できるかもしれないとしている。