昨年、ついにブラックホールの撮影に成功しました。次は何をするのでしょうか?

シェパード・ドールマンが不可能を可能にするのに、ほぼ10年かかりました。何百人もの研究者が国際的に協力するプロジェクト、イベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）のディレクターとして、彼は南極を含む4大陸の電波望遠鏡間の観測を調整するために、ハードドライブが詰まったスーツケースを世界中に持ち歩き、何年も費やしました。2019年4月9日、ついに共同研究の成果が発表され、世界はブラックホールの最初の画像を目にすることになりました。

この偉業は、先駆的なブラックホール理論家ジェームズ・バーディーンが1973年に絶望的と評したが、天文学技術の偉大な成果を象徴するものだった。しかし、データ処理が終了し、シャンパンが開けられると、EHTの共同研究はある意味、車を捕まえた犬のようだった。「こんなに早くこんなに良い画像が撮れたことに、皆が少し驚きました」とハーバード大学の理論物理学者アンドリュー・ストロミンガーは言う。「シェパードとマイケル（ハーバード・スミソニアン天体物理学者でEHTのコーディネーターのジョンソン）が私に尋ねてきました。『これで何をすればいいんだ？ 写真は撮ったけど、次は何をするんだ？』」

ストロミンガー氏と、理論家、実験家、哲学者 1 名を含む学際的な研究者グループが、先週 Science Advances 誌に掲載された大胆な答えを再び発表しました。十分に遠い望遠鏡を使用することで、EHT 共同研究チームはブラックホールの周囲から放射される光の反射を複数見分けることができます。このごちゃ混ぜの光線の正確なパターンを分類することで、天文学者はブラックホールの基本的な特性を直接測定し、これまでにない方法でアインシュタインの重力理論をテストすることができます。基本的に、彼らはブラックホールが星や惑星のようになることを期待しています。つまり、熟考する対象ではなく、直接観察できる対象になるということです。

「私にとってこれらは、頭の中で数学的に視覚化しようとする単なる方程式に過ぎませんでした」と、この研究に携わったハーバード大学の理論家アレックス・ルプサスカ氏は言う。「しかし、今、私たちはそれらの実際の画像を手に入れているのです。」

研究チームは、アインシュタインの一般相対性理論と前例のない解像度のシミュレーションを使用して、鉛筆と紙で計算し、ブラックホールが光に及ぼす影響を分析した。ネタバレ注意：奇妙なことが起こっている。「ブラックホールは、とにかくあらゆる面で最高です」とルプサスカ氏は言う。それには、光線をループ状に曲げることも含まれる。

物理法則で許される最も密度の高い物体であるブラックホールは、宇宙的な引力が非常に強く、その深淵が光の殻で覆われていることは物理学者の間では昔から知られている。地球が宇宙を通り過ぎる岩石を引き寄せ、宇宙に逃げ出す前に数回の軌道に引き込むのに対し、ブラックホールは実際の光粒子を捕らえることができる。ブラックホールに衝突したものは永遠にブラックホールの中に閉じ込められるが、境界をかすめた光子はブラックホールの周りを数回周回できる。「これが時空の歪んだ性質を目の当たりにすることになる」とルプサスカ氏は言う。

ストロミンガー、ルプサスカ、そして彼らの同僚たちがまさに計算したのは、光の殻の特定の構造と、それが地球からどのように見えるかということだった。

仕組みはこうです。光線がブラックホールに近づくと、その恐ろしい重力によって軌道に引き込まれます。ある特定の距離を通過する光線は、ブラックホールの周りを半周してから宇宙に逃げます。もう少し近くを通過する光線は、元の場所に戻る前に完全な円を描いて回ることがあります。さらに近くを通過する光線は、1回転半、2回転するなどします。これらの無限の光線のグループはそれぞれ、画像を形成することができます (カメラまたは眼球に当たった場合)。そのため、ブラックホールはそのような画像を無限に生成できます。ストロミンガーは、この幻覚効果を、デパートの2つの鏡の間に立って、自分の画像が遠くまで伸びていくのを見ることに例えています。

「完璧な望遠鏡がある完璧な世界では、ブラックホールを見ると、自分自身の無限の重なり合った画像だけでなく、宇宙全体の画像も見えるだろう」と彼は言う。

しかし、EHT は、他の望遠鏡と同様、完璧ではない。厳密に言えば望遠鏡ではなく、技術的には干渉計である。干渉計は、2 つの異なる場所から離れた地点の観測結果を比較することで機能する。場所が離れているほど、物体の特徴をより細かく分解できる。ブラックホールの反射 (観測者にはリングとして見える) は次第に薄くなるため、天文学者はそれを観察するために、より遠くの観測所を利用する必要がある。残念ながら、ハワイ、チリ、スペイン、南極にある施設では、EHT のスペースが不足している。「最初の画像を見るためだけに、すでに地球全体が使われています」とストロミンガーは言う。

反射リングを見つけるには、EHT はさらに先へ進む必要がある。最終的には、共同研究でネットワークに宇宙観測所を追加すべきだと研究者らは結論づけている。1 か所だけでも十分だろう。地球を周回する衛星なら最初のリングをはっきりと見つけられるだろうし、月を周回するハードウェアなら 2 つ目のリングを観測できるだろう。もし宇宙船を地球と太陽の間の第 2 ラグランジュ点 (近々建設されるジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の目的地) まで飛ばせれば、最初の 3 つのリングを解像できるだろう。こうしたミッションには数億ドルかかるかもしれない。高額ではあるが、最大規模の科学プロジェクトほど高額ではない。「いつか誰かがやることになるでしょう」とルプサスカ氏は言う。「時間の問題です」。

その大金で、天体物理学者はブラックホールに関する膨大な知識を買うことになる。リングの観測は、光線を完全にループに曲げるほど強い重力のある環境での一般相対性理論の最初のテストとしてすぐに役立つだろう。リングが狭くなる様子は非常に精密なので、少しでもずれがあれば何かおかしなことが起きているという合図になる。「揺るぎない余地がある」とルプサスカは言う。「実際に行って測定をすれば、理論と一致するか、一致しないかのどちらかだ」

アインシュタインの最も成功した理論が崩壊すると予想する理論家はほとんどいない。むしろ、このようにして撮影できるほど近い 2 つのブラックホールについて、リングが何を明らかにするかに期待している。天文学者は、ブラックホールの質量や回転など、ブラックホールの基本的な特性を測定するいくつかの方法を持っているが、そのためには多くの仮定を立てなければならない。リングのパターンはブラックホールのみに依存し、近くの輝くプラズマや破片とはまったく関係がないため、このような観測は物理学者がこれらの謎めいた物体に関する最も基本的な疑問に答えるためのより明確な方法となる可能性がある。

そして、この分析はほんの始まりに過ぎない。この研究が昨年の夏（査読に先立って）発表されてから、物理学者たちが理論を具体化しようと競い合い、一連の追跡研究が巻き起こった。「まだ調査していない興味深い詳細がたくさんあることが強調され、新しい兆候の可能性に興奮しています」と、光の種類がリングからリングへとどのように変化するかを分析したハーバード大学の大学院生、エリザベス・ヒムウィッチは言う。

ルプサスカ氏は、今後の取り組みを生物学の初期の頃と比較する。「DNAの配列を解析し、CRISPRを使用してDNAをコピーおよび編集する方法を理解する前に、まず森へ出かけて『あれは木だ、あれは花だ』と言う必要があります」と同氏は言う。「これが、実験科学としてのブラックホール物理学の現状です。」