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世界で初めてブラックホールの影を撮影することに成功 ②

Posted by moonrainbow on 12.2019 ブラック・ホール   0 comments   0 trackback
史上初、ブラックホールの撮影に成功

ブラックホールシャドウのメカニズム解説映像 / Photon paths around a black hole



ハワイや南米、南極などに設置された電波望遠鏡が協力する国際プロジェクト「イベント・ホライズン・テレスコープ」が、5500万光年彼方の銀河の中心に存在する超大質量ブラックホールを撮影することに成功しました。ブラックホールが直接撮影された史上初の快挙です

非常に大質量で高密度の天体であるブラックホールは、その強い重力のために光も脱出することができないという性質があります。ブラックホールの存在は元々は理論的に予測されたもので、その周囲の星やガスの運動の観測、ブラックホール同士の衝突合体とみられる現象からの重力波の検出など、存在を裏付ける証拠も数多くあります。しかし、実際にその姿がとらえられたことはなかったのです

ブラックホールに光がある距離よりも近づくと、光はブラックホールの重力にとらえられ、ブラックホールを周回しながらやがて吸い込まれます。その距離よりも遠い位置を通過する光は進行方向が曲げられ、本来は地球に届かない光も地球に届くようになるが、光がやってこない内側の一定範囲は暗く見えます。ブラックホールを観測すると、このような「ブラックホールシャドウ」がとらえられるはずだと考えられてきました

世界13か国、200人以上の研究者からなる国際プロジェクト「イベント・ホライズン・テレスコープ(Event Horizon Telescope; EHT)」では、ブラックホールシャドウの撮影を目標として観測研究を行っています。EHTでは、地球上の6か所にある8つの電波望遠鏡を同期させ、地球の自転を利用することで、直径1万kmに相当する地球サイズの電波干渉計を構成しています。これにより、人間の視力300万に相当する解像度(ハッブル宇宙望遠鏡は約1500)を達成し、超高解像度で天体を観測することができます

ブラックホールシャドウ1
2017年観測時のEHT望遠鏡配置図(提供:NRAO/AUI/NSF)

2017年4月、EHTは、約5500万光年彼方にあるおとめ座方向の巨大楕円銀河M87の中心部を観測しました。M87は地球からの距離が(宇宙的なスケールで)近く、その中心に存在すると想定される超大質量ブラックホールの特徴から考えると、EHTの観測に最も適している天体です

地球からM87中心ブラックホールへのズームイン映像 / Zooming in to the Heart of Messier 87


地球からM87の中心に潜むブラックホールへズームインする映像(提供:ESO/L. Calçada, Digitized Sky Survey 2, ESA/Hubble, RadioAstron, De Gasperin et al., Kim et al., EHT Collaboration. Music: niklasfalcke)

観測から得られたデータを画像化した結果、M87の中心に安定的に存在する構造として、光に取り囲まれた黒い丸が現れました。様々な解析と慎重な検証の結果、これが間違いなくブラックホールシャドウをとらえたものであることが確かめられました。史上初のブラックホール撮影成功であり、銀河中心に超大質量ブラックホールが存在することを示す決定的な観測証拠です

ブラックホールシャドウ2
M87の中心の超大質量ブラックホールシャドウ。リング状の明るい部分の大きさは約42マイクロ秒角(満月の見かけの約2億分の1)。リングの明るさに違いが見られる理由は、周囲のガス自体が回転しているためか、ブラックホールの自転によって地球へ近づく方向へ移動するガスが明るく、遠ざかる方向へ移動するガスが暗く見えているためと考えられている(提供:EHT Collaboration)

「『スパース・モデリング』と呼ばれる新しい手法をデータ処理に取り入れ、限られたデータから信頼性の高い画像を得ることができました。4つの独立した内部チームが3つの手法でデータの画像化を行い、いずれもブラックホールシャドウが現れることを確認しました」(EHT日本チームの代表、国立天文台水沢観測所 本間希樹さん)

「具体的な方法を変えながら、およそ5万通りもの画像化を行い、得られたブラックホールシャドウの画像の特徴が本当に信頼できるものであるかを入念に確かめました」(米・マサチューセッツ工科大学ヘイスタック観測所 森山小太郎さん)

理論との比較から、ブラックホールシャドウの大きさは1000億km(太陽~海王星の約22倍)と計算されています。ブラックホールの大きさを表す指標である「事象の地平面(イベント・ホライズン)」の大きさはその約40%、400億kmです。また、ブラックホールの質量は太陽の65億倍と見積もられました

「観測で得られた画像は、理論的予測と驚くほどよく一致していました。これによって、ブラックホール質量推定や私たちが写し出した画像そのものの意味についても、確信を持つことができました」(東アジア天文台長 Paul Hoさん)

天の川銀河の中心にも、太陽の約400万倍の質量を持つブラックホール「いて座A*」が存在しています。こちらも同時期にEHTで観測されており、データの解析が進められているところです

今後EHTではネットワークを広げて解像度を向上させ、より詳しくブラックホールを観測する計画です。銀河中心ブラックホールと中心核から噴出するジェットとの関連性などが解明されると期待されます。将来的に月や宇宙空間などにも電波望遠鏡を展開できれば、いて座A*とM87の中心ブラックホール以外のブラックホールも撮影できるようになり、中心ブラックホールが銀河の進化に及ぼす影響などブラックホールと銀河の理解が飛躍的に発展するでしょう

「M87」

ハッブル宇宙望遠鏡の「WFPC2」で捉えた「M87
ハッブル宇宙望遠鏡の「WFPC2」で捉えた「M87」
M87.png
VLBIによってズーム撮影された範囲は、こちらの画像に示されています。M87(左上)のジェットの根元にある明るいエリア(右上)をさらに拡大した先に、ブラックホールシャドウを縁取るリング(下)が輝いています。

Zooming into the black hole jet in M87



ブラックホールを映像化するには

How to take a picture of a black hole | Katie Bouman



2019年4月11日
AstroArtsより




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