ついに初のブラックホール画像が公開された

アインシュタインが重力理論でブラックホールの存在を予言してから1世紀、天体物理学者たちはブラックホールの存在を裏付ける圧倒的な証拠を発見してきた。彼らは、近くの恒星や惑星の軌道上でブラックホールが押し引きする様子を観測してきた。ブラックホール同士が衝突する際に発生する振動、つまり重力波の共鳴音も耳にした。しかし、ブラックホールを間近で見たことはなかった。そして今、その瞬間が訪れた。水曜日、天体物理学者たちは史上初のブラックホールの画像を撮影したと発表した。

この写真は、イベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）と呼ばれる共同研究グループが、2017年4月に世界各地の8台の望遠鏡を用いて5日間にわたり撮影したもので、5400万光年離れた銀河M87の中心にある超大質量ブラックホールの周囲を渦巻く明るいガスを捉えています。しかし、明るい光の向こうには、ブラックホールの特徴である事象の地平線があります。事象の地平線とは時空の深淵の縁であり、重力が強すぎて光がそこから逃れられない場所です。「そこはもはや後戻りできない地点です」と、EHT共同研究グループのメンバーであるアリゾナ大学のフェリヤル・エゼル氏は言います。画像では、それが「突然の光の消失」として現れていると彼女は言います。

以前、研究者たちはM87ブラックホールがあると予測されていた場所から噴出するぼんやりとした光のジェットを捉えていたが、彼らの機器はEHTほど鮮明ではなかったため、ブラックホールをはっきりと見ることはできなかった。「安価なスマートフォンのカメラから高解像度のIMAX映画館に移ったようなものです」と、ハーバード大学の天体物理学者アンドリュー・ストロミンガー氏は言う。ストロミンガー氏は今回の研究には関わっていない。

このブラックホールの質量は太陽の約65億倍です。それでも地球から見ると非常に小さく、空での幅は50マイクロ秒角未満です。そのため、月面にドーナツを置いたのと同じくらい見づらいのです。このブラックホールを撮影するには、8台の望遠鏡が必要でした。これらの望遠鏡は、10億分の1秒単位の精度で同期された観測データを収集しました。

ブラックホールの光と闇の境界を見るため、天体物理学者らはブラックホールの周囲を渦巻くガスから放射される電波（波長1.3ミリメートル、人の目には見えない光）を捉えた。ガスは可視光を含むあらゆる波長の光を放射するが、研究者らがこの特定の波長を選んだのは、この波長が銀河全体、さらには地球の大気圏さえも吸収されることなく通過できるためだ。しかし、ブラックホールを観測するには、8カ所すべての望遠鏡設置場所で好天が必要だった。エゼル氏によると、望遠鏡のスイッチを入れる前に、空気中の湿度をモニターする必要があった。湿度が高すぎると画像が台無しになってしまうからだ。降雨の可能性を最小限に抑えるため、南極やチリのアタカマ砂漠などの乾燥した地域に望遠鏡を建設した。

M87のブラックホールは地球に比較的近い。そこから発せられる光はわずか5400万年前に放出されただけなので、私たちはブラックホールの存在がより成熟した時期に観測されていることになる。「宇宙の年齢のこの時点では、ブラックホールの活動は落ち着いています」とエゼル氏は言う。「基本的に、近くの星から流れ込むガスを飲み込んでいるのです。」M87のブラックホールは明るいガスジェットを放出しているが、より遠くにある若いブラックホールと比べると、まだかなり暗い。若いブラックホールはより多くの物質を蓄積するため、その発光ガスの渦がより明るく輝くのだ。

この画像を撮影するには20年もの歳月を要しました。その努力の一部には、ハードウェアの設計、製作、そして様々な望遠鏡設置場所への輸送が含まれていました。しかし同時に、ブラックホールの物理現象を可能な限り正確に解明することで、何が見えるかを予測する必要もありました。2000年の大学院生時代からブラックホールの撮影に取り組んできたエゼル氏は、質量、回転速度、向きなどが異なるブラックホールのシミュレーションを何百万回も作成したと述べています。これらのシミュレーションは、望遠鏡の設計方法や、それらをどこに向けるかを決定する上で役立ちました。

しかし、彼らが追い求めていたのはただの美しい絵図ではありませんでした。天体という動物園の中で、ブラックホールは存在する最も極端な存在の一つです。現在理解されているブラックホールは、膨大な量の質量を一点に凝縮し、文字通り無限に高密度な物体となっています。この密度によって中心に巨大な重力が生まれ、誰もその内部を覗き込むことはできません。「ブラックホールは、宇宙の他の部分からはアクセスできない時空領域を作り出す、宇宙で唯一の天体です」とエゼルは言います。ブラックホールがあまりにも極端なため、研究者たちはその特徴を研究し、一般相対性理論の他の理論と整合するかどうかを検証したいと考えています。「私たちは皆、空間と時間について直感的に理解できると感じています。しかし、アインシュタインは、それは私たちが慣れ親しんでいるような、重力場が非常に弱い状況でのみ当てはまると言いました」とストロミンガーは言います。「重力場が強くなると、あらゆる種類の奇妙なことが起こります。」

M87についてこれまでに観測されたすべてのこと――質量と事象の地平線の大きさ――は、アインシュタインの理論と一致している。しかし、今後、より詳細な観測によって、予想外の特徴が明らかになる可能性がある。ストロミンジャー氏は、M87のような高速回転するブラックホールのより詳細な画像を見たいと考えている。理論計算によると、ブラックホールが十分に高速で回転すると、時空にワームホールが形成される。将来得られるブラックホールの画像は、これらの仮説を裏付けるか、あるいは反証するのに役立つ可能性がある。ストロミンジャー氏は、ブラックホールとそれに伴うワームホールを捉えられるほどの高画質の画像が完成する日を待ち望んでいる。「これは本当に、本当に奇妙なSFの世界ですが、私たちはそれを目にすることになるでしょう」と彼は言う。

この画像はほんの始まりに過ぎないとエゼル氏は言う。彼らは望遠鏡を他のブラックホールに向け、ブラックホール画像のスクラップブックを作り上げたいと考えている。また、このブラックホールをより詳細に理解するために、より高画質の写真をさらに多く撮影する予定だ。ついにこの怪物の目を覗き込んだ今、今度はそれがどのように振る舞うのかを観察する時が来た。

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