4 月 10 日水曜日は、科学の歴史において画期的な瞬間でした。世界中で 6 回同時に開催された記者会見で、国際的な天文学者チームが史上初のブラック ホールの画像を発表しました。
アリゾナ大学ツーソン校でモデリング チームを率いる Feryal Özel 氏は、次のように述べています。 「私にとって、これは 20 年近くの仕事の集大成です。」
実際、チームは 1 つのブラック ホールではなく 2 つのブラック ホールを観測しました。天の川銀河にあり、質量が太陽の 430 万倍の超大質量ブラック ホールである射手座 A* と、約 1,000 倍の大きさの銀河 M87 のいとこです。 .
最初に明らかになった画像は M87 の射手座 A* です。小さいため、観測中に何度も物質に取り囲まれ、ぼやけた画像が得られました。 M87 のブラック ホールの画像は、以来 Powehi と名付けられており、その事象の地平線の範囲よりも小さな詳細を示しています。各ブラック ホールの強い重力がレンズのように作用し、画像がその地平線の 5 倍の大きさに見えるため、このような精巧な詳細を見ることができます。
M87 の地平線は、黒い「降着円盤を通り抜けて渦巻くように白熱に加熱された物質から放射される強力な電波によってバックライトされた影」としてブラック ホールに現れます。影の周りのハローは、一方の側が他方よりも明るいです。 「これは、降着円盤が回転しているためです。これにより、「私たちに向かってくる部分からの光が、後退している部分からの光よりも強くなります」とオゼルは言います。
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驚くべき M87 画像は、イベント ホライズン テレスコープ (EHT) によって取得されました。これは、地球のサイズの巨大な望遠鏡をシミュレートするために一緒に利用された、地球上に散在する一連の電波皿です。
地球サイズの望遠鏡を持つことは、ブラック ホールのような小さなものを撮像するための鍵となります。そのような望遠鏡の解像度 (識別できる詳細の細かさ) は、構成部品の最大分離に依存するためです。
ブラック ホールはどのように形成されるのですか?
ブラック ホールは、物質が非常に小さい体積に圧縮され、その重力が強すぎて、光さえも逃れられなくなると形成されます。これにより、銀河系のどこにある恒星質量のブラック ホールも小さすぎて、地上の望遠鏡では見ることができません。
しかし、自然界はブラックホールの第 2 集団を作るのに適していると考えています。これらは、太陽の質量の最大 500 億倍の質量を持つ「超大質量」のものであり、そのうちの 1 つはほぼすべての銀河の中心に潜んでいます。
しかし、非常に遠くにあるため、これらの巨獣は、私たちの近くにある恒星質量のブラック ホールと同じくらい画像化が困難です。 2 つのケースを除いて:射手座 A* はわずか 27,000 光年離れており、M87 にある 70 億の太陽質量のいとこは、5,600 万光年の距離にあります。 「これが彼らが EHT の標的として選ばれた理由です」と Özel は言います。
また、光のスペクトルのどこを見るかという問題もあります。ブラック ホールの降着円盤から広がる強力な磁場の中で渦巻く高エネルギー電子は、電波を生成します。電波は、銀河の中心を覆う塵を容易に貫通して地球に到達できるという利点があります。
Özel は、過熱した降着円盤に囲まれたブラック ホールの乱流環境がさまざまな波長でどのように見えるかをシミュレートする専門家です。 「最適な波長は 1.3mm であることがわかりました」と Özel は言います。 「降着円盤を通して穴まで見えるだけでなく、私たちの銀河系と地球の大気は、この波長の電波を透過します。」
この波長が使用されているにもかかわらず、大気中の水蒸気は依然として貴重な電波の一部を吸収することができます.このため、EHT の天文学者は、チリ、ハワイ、グリーンランドなどの遠く離れた場所にあるすべての望遠鏡で観測を行うために、1 年のうちの時期を選択しました。 「最適な時期は、3 月末から 4 月末までです」とオゼルは言います。
2017 年 4 月、EHT は 8 つのサイトで望遠鏡を使って観測しました。 2018 年には、グリーンランドの料理が追加され、合計 9 つになりました。現在、アリゾナ州のキット ピーク国立天文台にラジオ ディッシュが追加され、10 個ありますが、射手座 A* と M87 の画像が得られたのは 2017 年に行われた観測です。
観測のたびに、各サイトからのデータがハード ドライブに記録されます。通常のドライブは、高高度望遠鏡サイトの低気圧で故障し、宇宙プログラム用に開発された特別なものに交換する必要がありました.
2017 年には、10 億から 20 億枚の写真を保存できる、それぞれ 6 または 7 テラバイトの容量を持つ合計 960 台のドライブが、なんと 5 ペタバイトのデータを記録しました。合わせて 0.5 トン以上の重さのディスクは、マサチューセッツ州とドイツのボンに飛ばされ、そこで各サイトからの信号が「相関器」として知られる専用のスーパーコンピューターで結合されました。
EHT の個々の皿は、地球の大きさの満たされた皿の小さな要素と見なすことができます。しかし、満たされた皿の各要素に衝突する電波は、それらが自然に結合される焦点に反射されますが、これは EHT の「要素」には起こりません。このプロセスは、コンピューターで信号を再生し、焦点で信号間に自然に存在する時間遅延を正確に再現することによって模倣する必要があります.
信号を完全に同期させることができるのは、各ディッシュで超安定原子時計からのクロック信号と一緒に信号が記録されるからです。しかし、さまざまな大気条件などによって生じる遅延を補正する必要があるため、信号の結合には依然として非常に時間がかかります。これが、データの分析に非常に時間がかかった理由です。
この途方もないコンピューティングの偉業でさえ、仕事の半分にすぎません。観測された電波のパターンを実際に引き起こした物質の分布を特定する必要があります。 「何が起こっているのかを理解するには、さまざまな規模で何が起こっているのかを把握する必要があります」と Özel 氏は言います。
驚くべきことは、Özel のような物理学者が非常に成功しており、M87 のブラック ホールの画像が彼らが期待していたものに非常に近いことです。しかし、これは物理学者の間では歓迎すべきことですが、ブラック ホールを以前に見たことがあると考えて、一般の人々をがっかりさせる可能性があります。
「私たちは自分の成功の犠牲者です！」オゼルは認める。 「物理学者の予測に基づくブラックホールのアーティストの印象と映画のシミュレーションは、正しいことが判明しました。しかし、それらの穴は偽物でした。今の違いは、本物を見ているということです。」
アインシュタインの重力理論のテスト
Özel は、ブラック ホールの最初の画像を取得したチームの一員であることを「非常にうれしく思います」と述べていますが、それはまた大きな安堵でもあると述べています。 「私たちの予測は完全に外れていた可能性があります」と彼女は言います。 「ありがたいことに、私たちは物理学を正しく理解しました!」
とりわけ、M87 の核の画像は、そのブラック ホールの質量をもたらしました。穴の事象の地平線の直径は、太陽の質量ごとに 6 km 増加します。その結果、画像の穴の幅を測定し、M87 までの距離を知ることで、太陽の質量の 65 億倍の重さがあると判断することができました。
「これは、穴の重力が近くの星の周りを回転する速度から推定される質量と完全に一致します」とオゼルは言います。 「これは質量でブラックホールの上位 10% に入る」
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しかし、この画像でおそらく最も注目に値するのは、穴の周りの光のドーナツの内側の端を示す鋭い「フォトン リング」です。これは、光が事象の地平線を横切って急降下し、私たちの宇宙で二度と見られなくなるポイントです.オランダのナイメーヘンにある Radboud 大学の EHT チーム メンバーである Heino Falcke 氏は、「私たちは空間と時間の果てに地獄の門を見てきました」と述べています。
「この穴は、私たちの宇宙の一部であり、永久に見えないようになっています」とオゼルは説明します。 「現在の物理学では到達できない場所です。」
ブラックホールの現在の最良の説明は、アインシュタインの重力理論です。ただし、一般相対性理論は、より深い理論の近似である可能性があります。それはブラックホールの中心で崩壊するので、無限密度の無意味な点の存在を予測します。そのような「特異点」は、地平線によって視界から遮られています。
故スティーブン・ホーキング博士は、一般相対性理論もブラック ホールの地平線で崩壊する可能性があり、その地平線は実際には、誰もがそうであると信じているノーリターンの表面ではない可能性があると示唆しました.
「アインシュタインの理論からの逸脱はまだ見られていませんが、そのような食い違いを見つけることは非常に重要です。」
ブラック ホールをまったく信じていなかったアルバート アインシュタインは、自分の理論が生き残ったことを喜んでいたでしょうし、この理論の悪夢のような予言が現実のものになったことに驚いていたでしょう.
「1915 年に定式化されたアインシュタインの理論が、このような極端な環境で私たちが見たものを非常に正確に予測しているという事実は、科学の勝利です」と Özel は言います。 「これまで、ブラック ホールの地平線は紙に書かれた数式にすぎませんでした」とオゼルは言います。 「今、それは現実の宇宙の現実のものです。」
ブラックホールの最初の画像はぼやけて見えるかもしれませんが、今後数年でより鮮明な画像が得られるでしょう。おそらく、月の上に地球が昇るアポロ 8 号の画像や DNA の二重らせん階段と並んで、科学の歴史の中で象徴的な画像になるでしょう。
「私たち人間は自分自身を誇りに思うべきです」とオゼルは言います。 「地球上の日常の出来事に圧倒されるのは簡単ですが、「私たちはこの驚くべきことを成し遂げた」と考える時間をとるべきです。私たちは時空の果てまで見てきました」
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