科学者はいかにして「目に見えないもの」を見たのか、そしてブラックホールの最初の画像を撮影したのか

イベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）の科学者らは水曜日、地球から約5500万光年離れたメシエ87銀河の中心にある超大質量ブラックホールの事象の地平線を撮影することに成功したと発表した。燃え盛る大渦巻のようなこの新しい画像は、チームが最初にデータを取得してから2年後に撮影されたもので、現代の記憶に残る最もエキサイティングな天体物理学の試みの1つへの長い待ち時間に終止符を打った。

「ブラックホールは宇宙で最も神秘的な物体です」と、EHT のディレクターであり、ハーバード・スミソニアン天体物理学センターの科学者でもあるシェパード・ドールマン氏は、ワシントン DC で行われた国立科学財団の記者会見で聴衆に語った。「ブラックホールは非常に小さいため、これまで見たことがありません。本日、ブラックホールを観測し、画像を撮影したことを皆さんに報告できることを嬉しく思います。」

ブラックホールの重力は非常に強力で、光さえもそこから逃れることができません。そのため、ブラックホールの写真を撮るのはほぼ不可能です。しかし、ブラックホールには事象の地平線と呼ばれるものがあります。これは、後戻りできない地点を示す境界です。この境界を越えた光と物質はブラックホールから逃れることはできませんが、事象の地平線では時空が歪んで、物質が集まって輝く円が形成されます。それが物体のシルエットのようなものを作り出します。それが EHT が捉えたものです。

名前はEHTだが、実際には世界中のさまざまな観測所にある8台の望遠鏡が同期して動作し、M87の中心にあるブラックホールと、私たちの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*を撮影するプロジェクトである。EHTは2006年に最初のデータ取得を行い、それ以来、ネットワークに観測所をどんどん追加し、現在ではハワイ、アリゾナ、チリ、南極、メキシコ、スペインのサブミリ波望遠鏡も含まれる。ドールマン氏は、M87の超大質量ブラックホールが最初に撮影したソースだが、現在はいて座A*の撮影に取り組んでいると説明した。

この新しい画像は、2017 年 4 月の 9 日間にわたって撮影されたデータから得られたものです。観測所のすべてのデータを実際に解凍して分析するには 2 年かかりましたが、その理由の 1 つは、ファイルが大きすぎてデジタル転送できないことです。科学者がデータを処理するために、ハード ドライブを観測所から物理的に運ばなければなりませんでした。特に南極のデータセットは、異常気象のため数か月間アクセスできない状態が続きました。

EHTには関わっていないスタンフォード大学の理論天体物理学者ロジャー・ブランドフォード氏は、この画像は「チームの懸命な努力と、それ以前の電波天文学者たちが干渉測定の技術を磨いてきた50年にわたる創意工夫への賛辞」だとポピュラーサイエンス誌に語った。

EHT を構成するさまざまな観測所は、宇宙のさまざまな物体をさまざまな無線周波数で観測できます。今回の場合、すべての観測所が各ブラックホールの事象の地平線から放出される放射線を観測するように調整され、非常に小さく遠くにあるものを撮影するために必要な極限の光学解像度を提供するために連携して機能しました。アリゾナ大学の天文学者で EHT チームのメンバーであるダニエル・マローネ氏は、水曜日の記者会見で聴衆に、ブラックホールは太陽の 65 億倍の質量がある一方で、事象の地平線は基本的に 1.5 光日の幅しかないと述べました。参考までに、5,500 万光年離れたところにある、すでに印象的な天体である M87 自体の直径は 120 光年です。ドールマン氏はこの偉業を「ワシントン DC にいながらロサンゼルスの 25 セント硬貨の日付が読めるのと同じ」と呼んでいます。

発表前は、EHT が世界に何を明らかにするのかははっきりしていなかった。プロジェクトには関わっていないライス大学の天文学者アンドレア・イセラ氏は、 Popular Science 誌に、いて座 A* を直接観測したことはないが、その存在は何十年も前から知られていると事前に語っていた。その重力が周辺の物体に与える影響は観測できる。「可視光が届かないものの周りを回る星々が見えます」と同氏は言う。「この動きから、ブラックホールの質量を測定できます。推定値は太陽質量の何百万倍にも相当します」

ブランドフォード氏は以前、この画像が、アインシュタインの一般相対性理論（重力と時空の関係を特徴付けるモデル）が、これらの超巨大な天体に対する重力の働きを正しく説明できるかどうかを証明する可能性があると強調し、ブラックホール自体の特性についてさらに光を当てる可能性もあると指摘した。一般相対性理論は、重力レンズ効果（光が巨大な物体を通過するときに曲がる様子）などの弱い状況ではすでに何度もテストされているが、ブラックホールのような強い重力場でテストされたことはなかった。

EHT チームは水曜日、新しいデータがブラックホールと一般相対性理論の両方を特徴付けるために使用された以前のモデルと一致していることを確認した。ウォータールー大学のエイブリー・ブロデリックは、アインシュタインが間違っていた場合、ブラックホールのシルエットは、非常に異なった形、つまり不格好、あるいは完全に欠けていた可能性があると説明している。実際には、それは円形で、構造上の予想と一致していた。

「今日、一般相対性理論はもう一つの重要なテストに合格した」とブロデリック氏は言う。

「ある意味で、ブラックホールは実は非常に単純な物体です」とイセラ氏は言う。ブラックホールは、質量（その周りを回る恒星の軌道からすでに推定されている）と自転スピンという2つの主要なパラメータによって定義される。ブラックホールの画像を見れば、これらのパラメータを解明する直接的な手がかりが得られる。予想から大きく外れているということは、まだ考慮していない重要な欠落部分があることを意味する。しかし、この新しい画像は、ブラックホールを実際に見たこともないのに、ブラックホールについて私たちが学んだことはすべて正しかったという心強いニュースだ。

この新たな発見は、無数の天体物理学および宇宙論の研究に影響を与えるだろう。近い将来、ブランフォード氏は「これらの発見が、事象の地平線の外側のガスと磁場に何が起きているのか、ブラックホールの周りを渦巻くガスの円盤がどのように振る舞うのか、相対論的ジェット（光速で放出されるイオン化物質）がどのように生成されるのかを理解するのに役立つだろう」と期待している。ブロデリック氏は、このデータはすでに、M87 のブラックホールが時計回りに回転し、内部が暗い明るい三日月のような特徴を持つことが判明したと説明した。

将来的には、天文学者がこのデータを使って銀河中心を周回する個々の星の挙動や、ブラックホールのすぐ外側にある高温ガスが物体自体の回転に及ぼす影響についてより詳しく知ることができるようになると、ブランフォード氏は考えている。アムステルダム大学の EHT チームメンバー、セラ・マルコフ氏は、ブラックホールから放出される放射線や粒子の噴流が銀河の成長と進化にどのように影響するかをより深く理解するために、この種の研究をどのように利用できるかについて論じた。

しかし、この画像の科学的重要性以外にも、注目すべき技術的マイルストーンがここにあります。EHT は、多くの点で、非常に小さく、非常に遠くにある天体の高解像度画像を取得するための一種の概念実証です。基本的に、この種の偉業を達成することで、より大胆な天文学的調査を実施するための方法論全体が開かれます。

「天文学の研究の大部分は、非常に小さな物体を画像化する試みです」とイセラ氏は言う。「つまり、今後は望遠鏡を増やしてより高品質の画像を実現できるようになり、他のブラックホールの画像も撮影できるようになるはずです」とイセラ氏は言う。

画像を一目見ただけでは、そのことはあまり明らかではないかもしれない。画像は、一般の人々の大半が期待していたよりも確かにぼやけている。画像は 5,000 テラバイト相当のデータから 100 万回も圧縮されており、残念ながら鮮明さは依然として落ちているようだ。しかし、新しいアルゴリズムの採用や、より高頻度の望遠鏡の追加など、追跡観測でのさまざまなアプローチによって、画像の質は向上する可能性がある。

実際、天文学では、このような段階的なプロセスは既によく知られています。冥王星のような惑星を例に挙げてみましょう。この準惑星を初めて見たときは、今日の基準からするとまったくの混乱状態でしたが、時が経つにつれ、表面の特徴を持つ実際の惑星に非常によく似たものを見つけることができました。そして、冥王星の最初の画像を撮影してから 85 年後のニューホライズンズのフライバイで、ようやくそのもやのかかった大気、岩石層、そして表面の本当の色を見ることができました。

チームは2020年までにこのプロジェクトで11台の望遠鏡を設置する予定で、ドールマン氏と同僚は、最終的には宇宙に望遠鏡を設置して研究をさらに進めたいと表明した。M87の超大質量ブラックホールの新しい画像は、宇宙に対する私たちの理解を根本的に変えてはいないが、宇宙に対するまったく新しい見方への扉を開くのに役立つだろう。

「私たちはこれまで目に見えないと思っていた宇宙の一部を明らかにしたのです」とドールマン氏は言う。「自然は、目に見えないと思っていたものを私たちに見せるために共謀したのです。」