イタリアの 14 世紀の画家、ジョット ディ ボンドーネは、教皇から才能を証明するよう求められたとき、腕を振って真円を描いたと言われています。しかし、幾何学的な完成度は媒体によって制限されます。キャンバスを注意深く調べると、最終的にすべての円が粗く見えます。完璧を求めるなら、人工物を見るな、空を見ろ。より正確には、ブラック ホールを見てください。
ブラック ホールを見ることは、イベント ホライズン テレスコープが過去 12 年間行ってきたことです。昨日、コラボレーションは 2017 年 4 月の最初のフルランの待望の結果を発表しました。予想に反して、彼らの最初のイメージは、多くの人が予想したように、天の川の中心にあるブラック ホールである射手座 A* ではありません。代わりに、ここから約 5500 万光年離れた楕円銀河メシエ 87 にある超大質量ブラック ホールです。このブラック ホールの重さは太陽の 65 億倍であり、銀河系のブラック ホールよりもかなり大きい。そのため、メシエ 87 ブラック ホールは射手座 A* の 1000 倍も離れていますが、空では半分の大きさに見えます。
イベント ホライズン テレスコープ (EHT) は、それが観測する天体と同じくらい注目に値します。 200 人の協力により、EHT は単一の望遠鏡ではなく、9 つの望遠鏡のグローバル ネットワークを使用します。グリーンランドから南極、ハワイからフレンチ アルプスまで、そのサイトは 1 つにまとめて機能します。この共同作業により、惑星地球サイズの望遠鏡が、メシエ 87 ブラック ホールを含む北の空にある小さなパッチを見つめます。
理論的には、ブラック ホールは重力が非常に大きく、光を含むすべてのものが永遠に閉じ込められる空間領域です。トラップ領域の表面は「事象の地平線」と呼ばれます。それには実体がありません。それは空間そのものの特性です。最も単純なケースでは、イベント ホライズンは球体、つまり何もない完全な球体です。
実際には、それは複雑です。天体物理学者は 1990 年代からブラック ホールの存在を示す証拠を持っていましたが、これまでのところすべての観測は間接的なものであり、目に見える星やガスの動きから推測されており、暗黒の天体が決定的な事象の地平線を本当に持っているかどうかについては疑問が残ります。ブラックホールを実際に見るのは難しいことがわかりました。問題は、彼らが黒人であることです。それらは光を閉じ込めます。また、スティーブン・ホーキングは、ブラック ホールが量子効果により放射を放出することを証明しましたが、この量子の輝きは微弱すぎて観察できません。
しかし、プラトンの洞窟の囚人たちと同じように、ブラック ホールが投じる影を観察することでブラック ホールを見ることができます。ブラックホールは周囲からガスを引き寄せます。このガスは回転する円盤に集まり、事象の地平線に渦を巻きながら加熱され、電荷を押しのけます。これにより、ほぼ光の速度でブラック ホールを離れていく、狭い指向性の粒子の流れである「ジェット」を生成できる強力な磁場が発生します。しかし、事象の地平線に近づきすぎたものはすべて落ち込み、跡形もなく消えてしまいます。
同時に、ブラック ホールは光線を曲げます。非常に強く曲げるので、ブラック ホールの前部を見ると、その後ろに円盤の一部が見えます。なんとか逃げ出した光は、地平線の近くで何が起こっているかを明らかにします。天体物理学者が期待するのは、ブラック ホールを取り囲む物質が私たちに向かって移動する側面では明るく、遠ざかる方向では暗い、非対称の画像です。重力レンズ効果と組み合わされた高温ガスは、EHT が注目する独特の観測可能な特徴を作り出します。
実験的な挑戦は手ごわいです。ネットワークの望遠鏡は、原子時計を使用してデータ取得を同期する必要があります。気象条件は、すべての場所で同時に良好でなければなりません。記録されると、データ量は非常に膨大になるため、処理のためにハードディスクに載せて中央の場所に送る必要があります。
理論上の課題は少なくありません。ブラック ホールは光を大きく曲げて、地平線を何度も包み込むことができます。結果として得られる画像は複雑すぎて、単純な式で捉えることができません。数学は 1920 年代から知られていましたが、物理学者がブラック ホールの実際の様子を初めて垣間見たのは 1978 年のことでした。その年、フランスの天体物理学者ジャン=ピエール・ルミネットは、パンチカードを使用して IBM 7040 で計算をプログラムしました。彼は手で絵を描いた.
今日、天体物理学者は何倍も強力なコンピューターを使用して、ブラック ホールへのガスの降着と、光が到達する前にどのように曲がるかを予測しています。それでも、ガスの部分的な乱流運動、ガスによって生成される電場と磁場、および粒子の相互作用の複雑さは完全には理解されていません。
EHT の観察結果は予想と一致しています。しかし、この結果は、アインシュタインの一般相対性理論の単なる勝利以上のものです。それはまた、天文学者の機知に富んだ勝利でもあります。彼らは手と頭脳を結集して、単独では成し得なかったことを達成しました。そして、彼らの測定によって、ブラック ホールには実際に事象の地平があるという長年の疑問が解決されましたが、それはさらなる探査の始まりでもあります。物理学者は、観測が降着円盤の極限状態、ジェット形成における磁場の役割、超大質量ブラック ホールが銀河形成に与える影響をよりよく理解するのに役立つことを望んでいます。
教皇がジョットの円を受け取ったとき、彼を感動させたのはそのイメージそのものではありませんでした。芸術家がコンパスの助けを借りずにそれを作成したのは廷臣の報告でした.このブラック ホールの最初の画像も、その外観だけでなく、その起源にも注目に値します。 400 億キロメートルに及ぶ黒い球体は、最も偉大な芸術家である自然自身によって高温ガスの背景に描かれています。
Sabine Hossenfelder は、フランクフルト高等研究所のリサーチ フェローであり、標準モデルを超えた物理学、現象論的量子重力、および一般相対性理論の修正に取り組んでいます。物理学の基礎で何がうまくいかないのかについてもっと知りたい場合は、彼女の本を読んでください Lost in Math:美しさが物理学を迷わせる方法.
動画:ブラック ホールが人々を魅了する理由
