米国のNSF(National Science Foundation/全米科学財団/国立科学財団)は「やったぞ！(We got it!)」という歓声と共に、またNASAのカリフォルニア州パサディナにあるJPL研究所(Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Calif.)は2022年05月12日に、ワシントン D.C.で行われたNSFとイベントホライゾンテレスコープコラボレーション(Event Horizon Telescope Collaboration in Washington)主催の記者会見で、天文学者は、我々の天の川銀河の中心にある超巨大ブラックホールの最初の画像を発表したと報告した。

この結果は、この天体が本当にブラックホールであることを示す圧倒的な証拠であり、ほとんどの銀河の中心に存在すると考えられている超巨大ブラックホールの仕組みについて、貴重な手がかりを与えた。この画像は、世界中の電波望遠鏡で観測されたデータをもとに、EHT(Event Horizon Telescope/イベントホライゾンテレスコープ)共同研究チームが作成したものである。

この画像は、私たちの銀河系のまさに中心に位置する巨大な天体の、待望の姿なのある。科学者たちはこれまで、天の川の中心にある、目に見えないコンパクトで非常に巨大な何かの周りを星が回っているのを見てきた。この天体は、「いて座A星(Sgr A*、サッジエイスター/sadge-ay-starと発音)」と呼ばれ、ブラックホールであることが強く示唆されていたが、今回の画像はその直接的な証拠を初めて提供するものである。

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ブラックホールは真っ暗なので見えないが、周囲のガスが光っていることから、中心部の暗い部分(「影(shadow)」と呼ばれる)を明るいリング状の構造が取り囲んでいることがわかる。これは、太陽の400万倍もの質量をもつブラックホールの強力な重力によって曲げられた光をとらえたものである。

「このリングの大きさが、アインシュタインの一般相対性理論から予測されるものと一致していることに、私たちは驚かされました。」と、台北にある中央研究院の天文・天体物理学研究所のジェフリー・バウワー研究員(EHT Project Scientist Geoffrey Bower from the Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica, Taipei)は語っている。「この前例のない観測により、銀河の中心で何が起こっているのかについての理解が大きく深まり、巨大ブラックホールが周囲とどのように相互作用しているかについての新しい知見が得られた。EHTチームの成果は、本日、「The Astrophysical Journal Letters(アストロフィジカル・ジャーナル・レターズ)」の特別号で発表される。

ブラックホールは地球から約27,000光年の距離にあるため、私たちの目には月のドーナツと同じぐらいの大きさで空に浮かんでいるように見える。それを画像化するために、研究チームは強力なEHTを作り、地球上の8つの既存の電波観測所をつなげて、1つの「地球サイズ」の仮想望遠鏡を形成した[1]。

EHTは、カメラの長時間露光と同じように、何度も夜間に観測を行い、何時間もデータを収集しました。

今回の画期的な成果は、EHTコラボレーションが2019年に発表した、より遠方のメシエ87銀河の中心にあるM87*と呼ばれるブラックホールの最初の画像に続くものである。

私たちの銀河のブラックホールはM87*より1000倍以上小さく、質量も小さいにもかかわらず、この2つのブラックホールは驚くほど似ている[2]。EHT 科学委員会の共同議長であり、オランダのアムステルダム大学で理論天体物理学を教えるセラ・マルコフ教授(Sera Markoff, Co-Chair of the EHT Science Council and a professor of theoretical astrophysics at the University of Amsterdam, the Netherlands)は、「全く異なるタイプの銀河と全く異なる質量のブラックホールが2つ存在しますが、これらのブラックホールの端に近い部分は驚くほどよく似ています」と述べている。「このことは、これらの天体の近くでは一般相対性理論が支配しており、遠くに見える違いは、ブラックホールを取り囲む物質の違いに起因していることを物語っている。

この成果は、M87よりもはるかに私たちに近いにもかかわらず、かなり困難なものであった。米国アリゾナ大学スチュワード天文台・天文学科・データ科学研究所のチャン・チークワン(CK)研究員(EHT scientist Chi-kwan (‘CK’) Chan, from Steward Observatory and Department of Astronomy and the Data Science Institute of the University of Arizona, U.S.)は、次のように説明します。「ブラックホール近傍のガスは、Sgr A と M87* の周辺では光とほぼ同じ速度で動いています。しかし、大きい方のM87ではガスが数日から数週間かけて周回するのに対し、小さい方のSgr Aではわずか数分で周回を終えます。つまり、EHT共同研究チームが観測している間、Sgr A*の周りのガスの明るさやパターンが急速に変化していた。

研究者たちは、Sgr Aの周りのガスの動きを説明する洗練された新しいツールを開発しなければなかった。
M87は、ほぼすべての画像が同じに見える、より簡単で安定したターゲットであったが、Sgr Aの場合はそうではなかった。Sgr Aのブラックホール画像は、研究チームが抽出したさまざまな画像の平均値であり、ついに銀河の中心に潜む巨大な存在を初めて明らかにした。

この研究は、EHTコラボレーションを構成する世界80機関、300人以上の研究者の創意工夫によって実現されたものである。また、観測データと比較するためのシミュレーション・ブラックホール・ライブラリーを前例のないほど作成し、スーパーコンピューターを用いてデータを結合・解析するなど、5年間にわたり厳密な作業を行った。

これらのスーパーコンピュータのうち、論文5での分析では、NSF Fronteraスーパーコンピュータでの約8000万CPU時間、NSF Open Science Gridでの2000万CPU時間が含まれている。NSFのSPT(South Pole Telescope/南極望遠鏡)と、NSFのNRAO(National Radio Astronomy Observatory/国立電波天文台)の下で管理されている国際的なALMA(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array/アタカマ大型ミリ波・サブミリ波アレイ)は、2017年に画像データの収集に使われた7つの望遠鏡のうちの2つである。

科学者たちは、大きさの全く異なる2つのブラックホールの画像がようやく得られたことに特に興奮しており、これらのブラックホールがどのように比較され、対照的であるかを理解する機会を提供している。また、この新しいデータを使って、超巨大ブラックホール周辺のガスの挙動に関する理論やモデルの検証も始めている。この過程はまだ完全に解明されていないが、銀河の形成と進化に重要な役割を果たすと考えられている。

EHTの研究者である台湾中央研究院天文及天文物理研究所の浅田圭一(EHT scientist Keiichi Asada from the Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica, Taipei.)は、「今回、2つの超巨大ブラックホールの違いを調べることで、この重要なプロセスがどのように作用するかについて、貴重な新しい手がかりを得ることができました。」「私たちは、宇宙の超巨大ブラックホールの大きい方と小さい方の2つのブラックホールの画像を手に入れたので、これらの極限環境において重力がどのように振る舞うかを、これまでよりもずっと詳しく調べることができます。」と述べている。

2022年03月に行われた大規模な観測キャンペーンでは、これまで以上に多くの望遠鏡が参加し、EHTの進歩は続いている。EHTのネットワークが拡大し、技術的なアップグレードが進めば、近い将来、さらに素晴らしい画像や、ブラックホールの動画を共有できるようになる。

「この画像は、グローバルな研究コミュニティとして、不可能と思われることを可能にするために、最も優れた頭脳を結集したときに、我々が何を達成できるかを証明するものです。言語、大陸、そして銀河系さえも、人類がより大きな利益のために団結したときに達成できることを妨げることはできません。これは、私たちの天の川の中心にあるブラックホールを、数十年にわたる好奇心主導の強烈な発見研究に続く礎となる成果として見ることができる歴史的な瞬間なのです。NSFは、この革新的な研究と、このような素晴らしい発見を可能にするインフラに投資する国際的なパート ナーであることを誇りに思います」と、NSFのセスラマン・パンチャナサン理事(NSF Director Sethuraman Panchanathan)は述べている。

世界中のメディアや科学雑誌が、この快挙を報道している。

大混乱で、どの記事を紹介しようか考えたが、今回は、メインのNSFからのリリースを翻訳した。

画像は、NASAのJPL研究所から解説用に公開したものを利用した。

備考

[1] 観測が行われた2017年04月のEHTに参加した個々の望遠鏡は、以下の通り。
ALMA(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array),
the APEX(Atacama Pathfinder Experiment),
IRAM 30m Telescope,
JCMT(James Clerk Maxwell Telescope),
LMT(the Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano),
the Submillimeter Array (SMA),
UArizona SMT(Submillimeter Telescope),
SPT(the South Pole Telescope)である。
その後、GLT(the Greenland Telescope/グリーンランド望遠鏡)、
NOEMA(NOrthern Extended Millimeter Array)、
キットピークにあるアリゾナ州12m望遠鏡(the UArizona 12-meter Telescope on Kitt Peak )がEHTのネットワークに加わっていrる。

ALMAは、
ALMA is a partnership of the European Southern Observatory (ESO; Europe, representing its member states),
the U.S. National Science Foundation (NSF),
and the National Institutes of Natural Sciences (NINS) of Japan,
together with the National Research Council (Canada),
the Ministry of Science and Technology (MOST in Taipei),
Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA),
and Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI; Republic of Korea),
in cooperation with the Republic of Chile.
The Joint ALMA Observatory is operated by ESO,
the Associated Universities, Inc./National Radio Astronomy Observatory (AUI/NRAO)
and the National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ).
APEX, a collaboration between the Max Planck Institute for Radio Astronomy (Germany),
the Onsala Space Observatory (Sweden)
and ESO, is operated by ESO.
The 30-meter Telescope is operated by IRAM (the IRAM Partner Organizations are MPG (Germany), CNRS (France) and IGN (Spain).
The JCMT is operated by the East Asian Observatory on behalf of the Center for Astronomical Mega-Science of the Chinese Academy of Sciences,
NAOJ, ASIAA, KASI, the National Astronomical Research Institute of Thailand,
and organizations in the United Kingdom and Canada.
The LMT is operated by INAOE and UMass,
the SMA is operated by Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian and ASIAA,
and the UArizona SMT is operated by the University of Arizona.
The SPT is operated by the University of Chicago with specialized EHT instrumentation provided by the University of Arizona.

The Greenland Telescope (GLT) is operated by ASIAA
and the Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO).
The GLT is part of the ALMA-Taiwan project and is supported in part by Taipei’s Academia Sinica (AS) and MOST.
NOEMA is operated by IRAM and the UArizona 12-meter telescope at Kitt Peak is operated by the University of Arizona.

[2] ブラックホールは、質量が大きさに比例する唯一の天体である。1000倍小さいブラックホールは、質量も1000分の1になる。(Black holes are the only objects we know of where mass scales with size. A black hole a thousand times smaller than another is also a thousand times less massive. _