Event Horizon Telescopeに関連する望遠鏡/望遠鏡アレイは、Messier 87を指しています。 超巨大ブラックホールはこのような姿をしており、事象の地平線がはっきりと見えている。 Event Horizon Telescope collaboration et al.

バラエティは人生のスパイスというだけでなく、私たちの宇宙で生きるための自然な帰結です。 重力は、あらゆるスケールで同じ普遍的な法則に従いながら、微弱なガスの雲から巨大な星まで、膨大な組み合わせの物質の塊やクラスターを生み出し、すべてが銀河、クラスター、そして大きな宇宙の網に組み合わされているのです。 しかし、私たちはそのすべてを見ることはできません。 最も質量の大きい星が死ぬと、その死骸はブラックホールになります。 小さな空間に大きな質量があると、どんな信号も外に出られません。 私たちは、このブラックホールの周囲で放出される物質や光を検出することができますが、事象の地平線の中では何も逃げることはできません。 このたび、事象の地平線の撮影に初めて成功し、科学的なサクセスストーリーが生まれました。

私たちは何を見たのでしょう？ 何が見えるかは、見る場所と観測の仕方で決まります。 事象の地平線を見たいのであれば、地球から見て一番大きく見えるブラックホールを見るのが一番いい方法です。 つまり、実際の物理的な大きさと我々からの距離の比が最大であることが必要なのです。 私たちの銀河系には10億個ものブラックホールが存在するかもしれませんが、私たちが知っている最も巨大なブラックホールは、約2万5千光年離れた天の川銀河の中心にあります

このブラックホールは、地球から見える事象の地平線の角度の大きさで、推定質量400万太陽の最も大きなブラックホールです。 2番目に大きいのは、もっと遠いが、もっともっと大きい、M87の中心にあるブラックホールである。 4008>

Event Horizon Telescopeは、この2つの事象の地平線を撮影することを試みましたが、結果は散々なものでした。 もともとM87よりもわずかに大きいと見積もられていた天の川の中心にあるブラックホール（「いて座A*」として知られています）は、まだその事象の地平線を撮像していません。 宇宙を観測するとき、いつも期待通りのものが得られるとは限らず、時には宇宙が与えてくれるものもあるのです。 その代わりに、M87のブラックホールは、より明るく、よりきれいなシグナルを出しました。 画像の中心にある暗いピクセルは、実は事象の地平線のシルエットそのものなのです。 私たちが観測している光は、加速され加熱された周囲の物質から来るもので、その物質は電磁波を発しているはずです。 4008>

M87では、期待されたものはすべて見ることができました。

ブラックホールを見るとき、銀河の中心にある巨大な質量を囲む背景の電波を見ようとしますが、その光の手前にブラックホール自身の事象の地平線があり、シルエットが見えています。

1. 適切な解像度が必要です。つまり、望遠鏡（または望遠鏡アレイ）が、見ている物体を1ピクセル以上として見る必要があるということです。
2. そして、電波透過性のある銀河が必要です。つまり、前景の電波信号に惑わされずに、実際にブラックホールまで見通すことができる銀河が必要です。 上はハッブルによる光学、左下はNRAOによる電波、そして右下はチャンドラによるX線です。 質量が66億太陽にもかかわらず、「いて座A*」の2000倍以上も遠くにある。 イベントホライズン望遠鏡は、このブラックホールを電波で観測しようとして成功しましたが、「いて座A*」の観測では失敗しました。 上段はハッブルによる光学、左下はNRAOによる電波、そして右下はチャンドラによるX線です。 質量が66億太陽にもかかわらず、「いて座A*」の2000倍以上も遠くにある。 イベントホライズン望遠鏡は、このブラックホールを電波で観測しようと試み、成功した。 上：光学、ハッブル宇宙望遠鏡 / NASA / Wikisky、左下：電波、NRAO / Very Large Array（VLA）、右下：X線、NASA / チャンドラX線望遠鏡

   ブラックホール周辺からの拡大放射は、電波も含めて多くの波長の光で何度も観測されている。 M87はこの3つの条件を満たしていますが、銀河の中心にあるブラックホールは、放射強度がかなり低いためか、画像を作成するのに十分なS/N比を得られませんでした。 もう1つのブラックホールは、地球上空で最も大きなブラックホールで、もっと良い画像が得られたはずなのに残念です。

   地球から見て3番目に大きいブラックホールは、遠方の銀河NGC1277の中心にあります。 イベントホライズン望遠鏡の解像度は十分ですが、電波の静かな銀河なので、シフレを見るための電波背景が十分ではありません。 4番目に大きいブラックホールはアンドロメダ銀河の中心で近くにありますが、イベントホライゾンテレスコープでも解像度が低すぎて見ることができません。

   

   イベントホライズン望遠鏡の撮像能力に貢献するアレイを、地球の半球の1つから見た図。 2011年から2017年まで、特に2017年に撮影されたデータにより、今回、初めてブラックホールの事象の地平線の画像を構築することができた。 APEX、IRAM、G. Narayanan、J. McMahon、JCMT/JAC、S. Hostler、D. Harvey、ESO/C. Malin

   どのように見えたのか？ これが、ちょっと注目すべきところです。 イベントホライズン望遠鏡は、他の望遠鏡と同様に、臨界点を超えるために、収集するデータの2つの異なる側面を必要とします。

   1. 信号とノイズ、電波の大きい領域と小さい領域、ブラックホール周辺の領域と銀河中心周辺の残りの環境を区別するために十分な光を集める必要があるのです。
   2. また、宇宙の正しい角度位置に正確な詳細を位置づけることができるよう、十分に高い解像度を達成する必要があります。

   ブラックホールを含むあらゆる天体の詳細を再構築するためには、この両方が必要なのです。

   

   ここでシミュレーションされているのは、地球から見た最大のものです。 イベントホライズン望遠鏡は、本日（2019年4月10日）早朝、あらゆるブラックホールの事象の地平線がどのように見えるかについての最初の画像を発表したところです。 事象の地平線の大きさ（白）と光のない領域の大きさ（黒）は、一般相対性理論とブラックホール自体の質量によって予測される比率になっています。 Ute Kraus, Physics education group Kraus, Universität Hildesheim; background: アクセル・メリンガー

   ブラックホール周辺の領域は非常に大きな速度で加速されているため、その中の物質（荷電粒子でできている）は強い磁場を発生させます。 荷電粒子が磁場の中を動くと放射線を出すので、そこから電波が出るのです。 直径数メートル程度の小さな電波望遠鏡でも十分に信号を拾うことができる。 集光力という点では、ノイズの上にある信号を観測することはとても簡単です。

   しかし、分解能は非常に難しいのです。 望遠鏡の直径に収まる光の波長の数に依存するのです。 銀河の中心にある小さなブラックホールを見るには、直径5,000メートルの光学望遠鏡が必要です。電波の場合、波はもっと長いので、約12,000,000メートルの直径が必要です！

   

   イベントホライゾンテレスコープ（EHT）とグローバルミリ波VLBIアレイ（GMVA）に参加している望遠鏡。 超巨大ブラックホールの事象の地平線の影を初めて撮像した。 ESO/O. Furtak

   このように、「事象の地平線」望遠鏡はとてもパワフルで賢い望遠鏡なのです。 この望遠鏡はVLBI（Very Long Baseline Interferometry）と呼ばれる技術で、同じような観測ができる望遠鏡を2つ以上、別々の場所から撮影し、それらを同時にロックします。 同時に多くの異なる望遠鏡（または望遠鏡アレイ）で地球の直径にまたがることで、事象の地平線の解明に必要なデータを得ることができました。

   

   スピードはEHTのような研究において制限となる要素でした。 Proto-EHTは2007年に始まりましたが、今日行っているような科学的なことは全くできませんでした。 これはEHTの科学者Avery Broderickの講演のスクリーンショットです。 Perimeter Institute

   The data rates were incredible:

   • It records a wave at a frequency that correspondates 23 billion observations per second.
   • That is corresponding to 8 GB per second at each station.これは、各ステーションで1秒間に8GBに相当するデータ速度です。
   • 8局の望遠鏡/望遠鏡アレイで、1時間の連続観測で225TBのデータが得られます。
   • 1週間の観測では、27PB（ペタバイト）のデータになります！

   すべてブラックホールの1枚の画像に対してです。 M87のデータモジュールをまとめたら、5PBの生データになりました！

   

   事象の地平線の画像は、アルマ望遠鏡が加わったことにより実現した。 アルマ望遠鏡のように、多数の観測装置を近接させることで、より詳細な画像を作成することができ、また、より遠くにある少数の観測装置によって、最も明るい場所の詳細を明らかにすることができます。 イベントホライズン望遠鏡にアルマ望遠鏡を加えることで、事象の地平線の画像を作成することが可能になったのです。 ESO/C. Malin

   では、どのようなことがわかったのでしょうか？ さて、私たちが学んだことはたくさんありますし、今後数日、数週間のうちにさまざまな詳細やニュアンスについての話がたくさん出てくることでしょう。

   第一に、そして最も重要なことは、ブラックホールは本当に存在するということです。 しかし、事象の地平線の最初の直接的な画像は、それらの疑念をすべて払拭してくれるはずです。 LIGOによる間接的な証拠、銀河の中心を回る軌道の重力測定、X線連星からのデータだけでなく、今や事象の地平線の直接の画像もあるのです。 アインシュタインの理論では、事象の地平面は楕円形や長円形ではなく球形であり、放射線のない領域はブラックホールの質量に基づいて特定の大きさになることが予測されていました。 一般相対性理論が予測する最も内側の安定した円軌道は、ブラックホールの重力から最後に逃れる明るい光子を示しています。

   もう一度、一般相対性理論は、新しいテストを受けても、無敗で現れました！

   

   天の川は、私たちに対する相対的な方向によって、事象の地平線望遠鏡に見えるかもしれません。 これらのシミュレーションは、事象の地平線が存在し、相対性理論を支配する方程式が有効であり、私たちの興味のある系に正しいパラメータを適用したことを前提としています。 なお、これらのシミュレーションは2009年からすでに10年前のものです。 すごいですね。 Imaging an Event Horizon: submm-VLBI of a Super Massive Black Hole, S. Doeleman et al.

   第三に、ブラックホール周辺の電波放射がどのように見えるかを予測するシミュレーションが、本当に、とてもうまくいったことがわかりました！このシミュレーションの結果、ブラックホール周辺の電波放射がどのように見えるかを予測することができました。 このことは、私たちがブラックホール周辺の環境をよく理解しているだけでなく、その周りを回る物質やガスの力学も理解していることを物語っています。 これはかなり壮大な成果です！

   そして4つ目は、重力観測から推定したブラックホールの質量は正しく、X線観測から推定したブラックホールの質量は系統的に低すぎることが分かったことです。 M87では、これらの推定値は2倍、射手座A*では、1.5倍の差がありました。

   M87の重力による推定値66億太陽質量は、イベントホライズン望遠鏡の65億太陽質量という結論と見事に一致し、重力が正しいということがわかりました。

   

   天の川の中心部にある超巨大ブラックホール。 これらの星を赤外線で観測すると、「いて座A*」からわずか数光年以内の軌道を追跡することができ、中心ブラックホールの質量を復元することができます。 M87のブラックホールについても、同様の手法で、より複雑な重力質量の復元が行われています。 M87の中心ブラックホールを直接分解することで、重力から推定される質量が事象の地平線の実際の大きさと一致すること、一方、X線観測では一致しないことを確認することができたのです。 S. Sakai / A. Ghez / W.M. Keck Observatory / UCLA Galactic Center Group

   Event Horizon Telescopeで科学を続けていくと、もっといろいろなことが分かってくると思います。 ブラックホールがなぜ爆発するのか、降着円盤にホット・ブロブのような過渡的な特徴が現れるのか、などが分かってきます。 また、中心ブラックホールの位置が時間とともに移動するかどうかを知ることで、超巨大ブラックホールの近くに、これまで見えなかった小さなブラックホールが存在することを推測できます。 また、重力の影響やX線の放射から推測されるブラックホールの質量に、普遍的な偏りがあるかどうかを、より多くのブラックホールを収集することで知ることができます。 また、降着円盤が銀河に対して普遍的な位置関係にあるのかどうかもわかります。

   

   ブラックホールと降着円盤の向きには、普遍的な配置があるのか、ランダムな配置があるのかはまだわかっていません。 ブラックホールと降着円盤の間には、普遍的な位置関係があるのか、ランダムな位置関係があるのかは、まだ分かっていません。 事象の地平線へ-銀河系中心の超巨大ブラックホール」、Class. Quantum Grav., Falcke & Markoff (2013)

   最初の結果だけでは、これらの答えを知ることはできませんが、これは始まりにすぎません。 私たちは今、ブラックホールの事象の地平面を直接画像化できる世界に生きています。 私たちは、ブラックホールが存在すること、事象の地平線が実在すること、アインシュタインの重力理論がまったく前例のない方法で確認されたことを知っているのです。 そして、銀河の中心にある超巨大な星が本当にブラックホールなのかどうかという、最後の疑問も消え去ったのです。

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