ブラックホールの影を撮影した史上初の画像は、最近機械学習によってより鮮明に生まれ変わった。その結果、きれいな画像になったが、同じように、5年前に撮影された画像を改良した結果、今回初めて、ブラックホールが排出するジェットを、影そのものと同時に見ることができるようになったのだ。
その影は、光さえも逃れられないほどの強力な重力の穴である。ブラックホールに向かって落ちてくるほとんどのものは、数千年かかるかもしれないが、奈落の底に落ちていく。深淵に到達する前に、降着円盤と呼ばれるものを周回する。そして円盤に垂直に巨大なジェットが発生し、荷電粒子を光速近くまで加速させ、その運動によって高エネルギーの光子が放出され、その光は銀河系全体を照らし出すほど明るくなる。今回、国際的な研究チームが『Nature』誌に発表した研究によると、この歴史的な画像で主役となったブラックホールの周りにリングがあることを実際に突き止めた。
ブラックホールは、その不気味な強さにもかかわらず、私たちの存在に不可欠なものであるというパラドックスを持っている。宇宙物理学者は、超巨大ブラックホールは宇宙のほとんどの銀河の中心を占めていると考えている。このブラックホールは、地球から5400万光年離れたおとめ座にある銀河系M87の中心を占めている。質量は太陽の約65億倍である。
ブラックホールの画像は、アーティストが何年もかけてその特徴を強調して描いてきたが、実物を撮影するのはまた別の問題だった。だが今回、多くの望遠鏡を組み合わせる事で、それが可能になったのだ。
新しいプロジェクト、Global Millimeter VLBI Array（GMVA）は、イベントホライズンテレスコープ（EHT)と同じ手法に頼っている。GMVAは、遠くのM87銀河に向けた1つの大きな観測装置を持つ代わりに、世界中の電波望遠鏡のネットワークを利用し、同期して1つの受信機として機能させる。この研究の核となる電波天文学の技術は、VLBI（超長基線干渉計）だ。ブラックホールの超高温プラズマリングから発せられる電波が地球を通過するとき、アレイの各部分で異なる時刻に検出される。この検出時間と受信機間の距離を利用して、科学者はデータを1つの同期した画像に合成することが出来るのだ。
当初、このプロジェクトでは、地球の東西軸を中心に約12台の電波望遠鏡が配置されていた。その後、北にグリーンランド望遠鏡、南半球にアタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計（ALMA）を追加し、GMVAの「目」を拡大した。EHTプロジェクトでは、M87のブラックホールをズームアップし、降着円盤の最奥部だけを撮影した。その結果、ブラックホールの事象の地平線が浮かび上がりましたが、GMVAはより広い視野で見ることができるように調整されている。EHTのネットワークは1.3ミリメートルの周波数で動作し、これはマサチューセッツ州からカリフォルニア州の米粒に焦点を合わせることに相当するとMITは述べている。GMVAは3mmで動作し、これは同じスケールでカボチャの種を解像できる程度だ。
この画像によって、多くの重要な詳細が明らかになった。例えば、GMVAは事象の地平線を囲む、より大きく「ふわふわ」したプラズマの輪を見ることができる。このプラズマの一部は、ブラックホールから上へ、そして遠ざかり、相対論的なジェットの基部であると天文学者は考えている。このジェット機は中央のリングとつながっているように見え、この2つの特徴が関連していることを初めて観測で具体的に示した。MITヘイスタック天文台の秋山和則氏は、「興味深いのは、ブラックホールの影の部分がまだ見えていることですが、さらに伸びたジェットが見え始めていることです」と述べている。
ブラックホールから噴出するジェットの存在は何十年も前から知られていたが、それを生み出す物理学はまだ十分に解明されていない。今回、世界で初めてこの画像を公開した国際チームは、自分たちの研究がそれを解決することを期待しているという。
「我々は、ジェットがブラックホール周辺の領域から放出されることを知っています。しかし、我々はまだこれが実際にどのように起こるかを完全に理解していません。このことを直接研究するためには、ジェットの起源をブラックホールにできるだけ近い場所で観測する必要があります」と、上海天文台のRu-Sen Lu博士は声明で述べています。
著者らは、元の影の画像に使われた1.3ミリ波ではなく、ジェットと影を一緒に見るために3.5ミリ波の電波を使用した。その結果、1.3ミリメートルで見たときよりも50パーセントほど大きなリングが発見された。青い光で見ていたものが、赤い光で見てみると、もっともっと大きなものが見えてくるような感じだ。
今回使用する望遠鏡は、北米とヨーロッパ、南米、グリーンランドにそれぞれ設置されている。アンテナ間の距離により、地球全体を電波皿に見立てた場合と同等の解像度を実現している。
この画像は、5500万光年離れたM87銀河の中心にある超大質量ブラックホールM87*の降着円盤に、ジェットの根元がつながっているように見える。この画像では、ジェットが反対方向を向いているため、2つの明るい領域があることが分かる。「ブラックホール付近では、ジェットを発射する領域の発光プロファイルが、ブラックホール駆動型ジェットに期待されるプロファイルよりも広く、降着流に伴う風の存在の可能性を示唆しています」と論文では指摘している。
M87が今回観測対象に選ばれた理由は、銀河系間の基準から見て近く、質量が太陽の65億倍と非常に大きいためだ。2番目に撮影された「いて座A」は、私たちの銀河系の中心にあり、より近いが、質量が1,000倍も小さく、また、多くの塵に隠されている。
今後のプロジェクトでは、異なる大陸の望遠鏡を再び組み合わせ、M87*を他の波長で研究する予定だ。マックスプランク電波天文研究所のEduardo Ros教授は、「今後数年間は、宇宙で最も神秘的な領域の近くで何が起こっているのか、さらに詳しく知ることができるようになるでしょう」と述べている。
論文
参考文献
- ESO: First direct image of a black hole expelling a powerful jet
- MIT: New black hole images reveal a glowing, fluffy ring and a high-speed jet
- National Radio Astronomy Observatory: NSF Telescopes Image M87’s Supermassive Black Hole and Massive Jet Together for the First Time
研究の要旨
近傍の電波銀河M87は、ブラックホール降着やジェット形成を研究するための有力なターゲットである。2017年に行われたEvent Horizon TelescopeによるM87の観測（波長1.3mm）では、リング状の構造が確認され、これは中心ブラックホールの周りの重力レンズ発光と解釈された。ここでは、2018年に得られたM87の波長3.5mmでの画像を報告し、コンパクトな電波核が空間的に分解されていることを示す。高分解能イメージングにより、リング状の構造を持つ8.4+0.5-1.1のシュヴァルツシルト半径の大きさで、1.3mmに比べ約50%大きくなっている。また、3.5 mmの外縁も1.3 mmの外縁より大きい。このように大きく厚いリングは、重力レンズによるリング状の発光に加え、吸収効果を持つ降着流の寄与が大きいことを示している。この画像から、縁が明るくなったジェットが、ブラックホールの降着流とつながっていることがわかる。ブラックホール近傍では、ジェット発射領域の発光プロファイルがブラックホール駆動ジェットの予想プロファイルよりも広く、降着流に付随する風の存在の可能性を示唆している。
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