天文学者、天の川銀河のブラックホールの端に近づく

科学者たちは初めて、銀河系の中心にあるブラックホールの周囲で揺れ動く何かを発見した。測定によると、この物体（おそらくプラズマの塊でできている）は、物理法則が許す最も内側の軌道からそれほど遠くない場所で回転しているようだ。もしそうだとすれば、天文学者たちはブラックホールを取り囲む、まるで鏡のように広がる時空をこれまでで最も詳しく観察できることになる。そして今後、さらなる観測によって、既知の物理法則が時空が崩壊する境界で何が起こっているのかを真に説明できるかどうかが明らかになるだろう。

天文学者たちは、天の川銀河の中心に太陽約400万個分の重さを持つブラックホールが存在することを既に知っていました。地球から見ると、このブラックホールはいて座にある高密度の小さな物体で、ニューヨークから見るとロサンゼルスのイチゴの種ほどの大きさしかありません。しかし、ブラックホールに渦巻く星間ガスが輝き、天体画像では、銀河の暗い中心がかすかな赤外線の点として浮かび上がります。天文学者たちはこれをいて座A*（「Aスター」と発音）と呼んでいます。

研究者たちは15年間、その点のちらつきを観察し、その理由を解明しようとしてきた。時折、赤外線で30倍も明るく輝き、そして消えていく。しかも、その現象はわずか数分以内だ。しかし今回、ドイツ、ガルヒンクにあるマックス・プランク地球外物理学研究所の研究チームが、この点の明るさだけでなく、その位置も驚異的な精度で測定した。ちらつきが生じると、空を時計回りに小さな円を描きながら移動することが分かった。

「彼らは明らかに何かが動いているのを目撃した」と、ハーバード・スミソニアン天体物理学センターの天文学者シェップ・ドールマン氏は述べた。ドールマン氏は、今週『天文学と天体物理学』誌に掲載された、同チームの「驚異的」な測定には参加していない。「それが何なのかは、正確には分かっていない」

しかし、ある解釈が際立っていると研究チームは主張する。この揺れは、おそらく「ホットスポット」、つまりブラックホールの大きく開いた口の真上を光速のほぼ3分の1の速度で周回する、磁気加熱されたプラズマの輝く塊から生じていると考えられる。これらのホットスポットが周回するにつれ、ブラックホールの巨大な重力によって時空自体がレンズのように歪められ、銀河のサーチライトのように宇宙全体に光のビーコンが放たれる。この考えは、現在カナダのペリメーター理論物理学研究所とウォータールー大学に所属するエイブリー・ブロデリックとハーバード大学のアヴィ・ローブによって2005年に初めて提唱され、ブラックホールがフレア状に広がるように見える理由を説明できるだろう。

「彼らは本当にエキサイティングなものを手に入れたようだ」と、カリフォルニア大学ロサンゼルス校のヨーロッパチームの長年のライバルである天文学者アンドレア・ゲズ氏は付け加えた。

もしこれらの回転フレアが、ブロデリックとローブが想像したようにホットスポットによるものであれば、さらなるフレアはブラックホールの「スピン」（回転の尺度）を明らかにするのに役立つだろう。また、ブラックホールの入り口における歪んだ時空において、アインシュタインの一般相対性理論を検証する新たな方法となる可能性もある。

「たまに正しい答えが返ってくると、黒板に向かって頭を掻きむしっていた時間をすべて帳消しにしてくれるんです」とブロデリックは言った。「これが科学者をこんなにも楽しいものにしているんです。」

重力ビーム

1990年代以降、カリフォルニア大学ロサンゼルス校（UCLA）のゲズ氏のグループと、ドイツ・ガルヒンクにあるマックス・プランク地球外物理学研究所のラインハルト・ゲンツェル氏が率いるヨーロッパチームは、銀河中心の周囲を周回する恒星の軌道を解明するために、これまで以上に精密な技術を駆使してきました。今年の夏初め、ゲンツェル氏のチームは、ブラックホールの近くを通過する恒星の光に一般相対性理論がどのように影響しているかを測定した結果を発表しました。ゲズ氏のチームによる同様の論文は現在審査中です。「これらの実験によって、超大質量ブラックホール付近での重力の働きを探り始めることができるようになったという点で、これは注目すべき瞬間です」とゲズ氏は述べています。

しかし昨年から、ヨーロッパチームはユニークなツールを手に入れました。それは、4台の巨大な望遠鏡を連携させる「GRAVITY」というプロジェクトです。典型的な夜、チリのアタカマ砂漠を見下ろすセロ・パラナルにあるヨーロッパ南天天文台の4台の8メートル望遠鏡は、それぞれ異なる方向に空を向いています。GRAVITYは、複数の望遠鏡からの観測結果を統合する「干渉法」と呼ばれる技術を用いて、これらの望遠鏡を引き寄せ、途方もなく巨大な本物の望遠鏡でしか作成できないような人工画像を作り出します。

人間の目で認識できる波長に近い赤外線でこれを実現するには、重要な情報を失わないように、光をリアルタイムで混合する必要がある。そのため、7月22日にいて座A*がフレアを起こした際、各望遠鏡で集められた光は、ルーブ・ゴールドバーグのような鏡と光ファイバーケーブルの装置を通過し、全長が髪の毛の太さの1000分の1以下しか変化しない経路を描いたと、ガルヒンクにあるマックス・プランク研究所の物理学者でGRAVITYのリーダーであるフランク・アイゼンハウアー氏は述べた。そして、3トンもの光学技術の冷凍ツールボックスの中で、これらの光波は混ざり合い、山と谷が組み合わさったり打ち消されたりして、信じられないほど鮮明な位置測定が行われた。

[#動画: https://www.youtube.com/embed/Zc2oMnTB08E

これらすべてを経たにもかかわらず、GRAVITYは7月22日のフレアと他の2つのフレアを含む3つのフレアの動画を撮影できるほどの解像度を持っていませんでした。しかし、空で揺らめくかすかな点の測定は、いて座A*のちらつきの原因となる複数の可能性を絞り込むのに役立つことが期待されます。

もし近くで見ることができれば、フレアはブラックホールから噴き出す高温のプラズマの塊、つまり磁場によって集中して放出される物質のジェットである可能性があります。あるいは、ブラックホールに流れ込むガスのフリスビー状の塊、あるいは渦巻き腕のような他のディスク構造である可能性もあります。いずれの場合も、フレアと光の減衰は、物質自体が高温になり、その後冷却することで発生します。

ブロデリックとローブの構想は、熱によってプラズマの塊が破壊されるというものでした。プラズマの塊はブラックホールの近くで形成されると考えられ、太陽フレアで起こる現象と似ています。太陽の表面上では、磁場の雑草が絡み合い、それが新たな形に変化する時に、加熱されたプラズマのフレアが噴出します。ブラックホールの周囲のガスにも同様の現象が起こる可能性があり、ブラックホールにも強力な磁場が絡み合っています。

しかしこの場合、明るさの変調はブラックホール自体ではなく、その軌道から生じる。ブラックホールが巨大なブラックホールに捕らわれて回転するにつれ、一般相対性理論で予測される歪んだ時空がホットスポットの光を集め、ビーム状にする。そして、そのビームが地球を横切る際に、ブラックホールの明滅を観測することになる。「ブラックホールは灯台のレンズのようなもので、回転しながら光らせているのです」とブロデリックは言う。

アイゼンハウアー氏は、もしジェットがブラックホールのちらつきを引き起こしているなら、その動きは直線的で、塊が外側へ移動して冷却されるはずだと述べた。ブラックホールを取り囲む円盤内の塊が原因なら、動きは特定の方向には向かないだろう。しかし、円運動はホットスポットの周回軌道を裏付けていると研究チームは主張している。

「この結果を信頼したいと思う理由となる、ある特定の事実があります」と、ボンにあるマックス・プランク電波天文学研究所の天体物理学者、ギュンター・ヴィッツェル氏は述べた。ヴィッツェル氏は大西洋の両側にある銀河中心チームと共同研究を行ってきた。GRAVITYはまた、フレア発生時に放出される光の偏光が、見かけの軌道運動とほぼ同じ時間スケールで変化することを発見した。これもまた合致する。ホットスポットから放出される光は偏光しているはずだ。スポットが歪んだ時空を移動するにつれて、その偏光は軌道上でねじれるのだ。

天体物理学者にとって、特異な状況下におけるプラズマのこの一瞥は、それ自体が興味深い。「私たちは全く新しい、全く未知の環境に直面しています」と、初期のホットスポット理論の提唱者でもあるミュンヘン・ルートヴィヒ・マクシミリアン大学の宇宙学者ニコ・ハマウス氏は述べた。「だからこそ、何が起こっているのかという認識が曖昧だったのです」

しかし現在、理論家たちは、ホットスポットがアインシュタインの重力理論そのものに厳しい尋問室の光を当てる可能性があると期待している。

地平線を読む

ブラックホールへの旅を想像してみてください。ブラックホールに近づくと、よく言われるように、最後の引き返すチャンスが訪れます。それはブラックホールの端を示す事象の地平線です。しかし、ブラックホールへのアプローチを再考するより良い場所は、それよりも前、天体物理学者が最内周安定円軌道（ISCO）と呼ぶ地点かもしれません。銀河中心にあるブラックホールの周囲のホットスポットは、この境界線のすぐ外側を周回しているようです。

このような軌道が存在するという事実は、ニュートンとアインシュタインの重力理論の重要な違いです。ニュートンの重力理論では、速度を上げ続ければ、物体の周りを好きなだけ周回できます。しかし、アインシュタインの考えでは、回転エネルギーはより大きな重力を呼び起こします。ある距離では、速度を上げても落下速度は速まるだけです。「ブラックホールが物体が消える排水口だとすれば、この最も内側の円軌道はいわば流し台です」と、ハーバード大学のローブ氏は述べました。

ローブにとって、この運命の縁を周回する光源は母なる自然からの贈り物です。ブラックホールの質量と自転速度は、ISCOの位置と、ホットスポットが特定の半径でどれだけの期間周回するかを決定します。一般相対性理論によれば、質量と自転速度以外に、天体ブラックホールの周回軌道を決定するものは何もないのです。この二つの値こそが、ブラックホールを区別する唯一の特性であるはずです。

ゲズ氏とゲンゼル氏はすでにこのブラックホールの質量を明らかにしている。自転速度はまだ計算できていないものの、今後発生するフレア、特に明るいフレアが質量の特定に役立つはずだ。

ブラックホールの自転は周囲の空間を引きずり、近くの物体が周回する時間を変化させます。GRAVITYはフレアのカタログを作成し、ブラックホールの周りの様々な半径でフレアが周回する時間を調べることで、ブラックホールの自転を推定できるようになります。

もちろん、これは一般相対性理論が正しく、ブラックホールを回る物体の軌道はブラックホールの質量と回転によってのみ決定されるという前提に基づいています。もし何か他のことが起こっている、つまりこれらの軌道に影響を与える他の要因が存在するように見える場合、それはアインシュタインの理論に修正が必要であることを示唆している可能性があります。

さらに、「さらにエキサイティングなチャンスが目の前に迫っています」とブロデリック氏は言った。「言葉遊びを許していただければ」

文字通り「次の地平線」は、イベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）からもたらされるはずだ。EHTは、天の川銀河の中心ブラックホール周辺の時空を解明しようと現在取り組んでいる別のプロジェクトだ。EHTチームは現在、データの分析を進めており、2019年中に論文を発表したいとしている。

EHTは干渉計によって、その信じられないほど鮮明な視界をさらに向上させています。しかし、EHTは電波波長で動作し、重力波の赤外線放射の軌跡の1000倍も長い波長域で観測を行います。また、EHTを構成する観測所はチリの山頂だけでなく、世界中に広がっています。地球の自転に伴い、これらの観測所は宇宙空間を掃引し、さらに多くの情報を収集します。

GRAVITY がフレア発生中に 30 秒ごとに驚異的な精度でブラックホールの位置を測定したのに対し、EHT は異なることを目指しています。それは、ブラックホールの縁の周囲にある ISCO 内部で歪んでいる電波の長時間露光画像を撮影することです。

しかし、GRAVITYが発見したホットスポットのような揺らぎは、新たな可能性をもたらしている。「もしこうした現象がかなり頻繁に発生し、そして実際にそうであるならば、それは誰にとっても素晴らしいニュースです」と、EHTを率いるハーバード大学のドールマン氏は述べた。

「同じことを、異なる機器を用いて、非常に相補的な方法で検証できるのです」とドールマン氏は述べた。「まさにそれが科学の真髄です。」

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。

WIREDのその他の素晴らしい記事

• iPadは正式にMacBookよりも興味深い
• 私たち全員を脅かすAI冷戦
• インターネット時代の自己啓発と学習方法
• ドローンを撃ち落とす大砲は、無人機が飛行機を破壊できることを証明している
• 米国の兵器システムはサイバー攻撃の格好の標的
• もっと知りたいですか？毎日のニュースレターに登録して、最新の素晴らしい記事を見逃さないでください。