天文学者たちは初めて、銀河系の中心にある巨大な超大質量ブラックホールの鮮明な画像を撮影した。
いて座A*、略してSgr A*は、地球から2万7000光年の距離にあります。科学者たちは、いて座に強力な電波を発する謎の天体が存在することを以前から知っていましたが、実際に発見されたのは1970年代になってからでした。天文学者たちはこの天体の特性のいくつかを解明することに成功しましたが、専門家たちは自分たちが何を見ているのか、正確には分かっていませんでした。
数年後の2020年、この天体が超大質量ブラックホールであることを数学的に証明した二人の科学者がノーベル物理学賞を受賞しました。そして今、彼らの研究は、イベント・ホライズン・テレスコープ・コラボレーション（EHT）の80の機関にまたがる300人以上の研究者によって撮影されたSgr A*の史上初の画像という形で実験的に検証されました。
私たちにはそれほど巨大には見えません…いて座A*の写真。クリックするとさらに大きくなります。出典：EHTコラボレーション
このややぼやけたオレンジ色の塊の集まりは、一見するとそれほど印象的ではないかもしれないが、その形状と構造は超大質量ブラックホールの特徴的な兆候である。円形のドーナツ型で、内側の穴はブラックホールの端、つまり事象の地平線を示し、輝く放射線のリングに囲まれている。
2017年から、世界中に設置された8基の地上望遠鏡を用いて、いて座A*の光を捉える研究が進められました。研究者たちは3.5ペタバイトもの観測データを集積し、スーパーコンピュータ上で動作する複雑な画像処理アルゴリズムに入力して画像を構築しました。これらの望遠鏡から得られるデータは慎重に比較・処理する必要があり、科学者たちは機器の位置や地球の自転といった要素を考慮し、安定した直接画像を構築する必要があります。
「この天体の質量と距離は、我々の観測以前から非常に正確に分かっていた」とフランクフルト・ゲーテ大学の理論天体物理学教授ルチアーノ・レゾラ氏は今週語った。
「そこで私たちは、影の大きさに関するこれらの厳しい制約を利用して、ボソン星やワームホールなどの他のコンパクトな天体を除外し、『私たちが見ているものは間違いなくブラックホールのように見える』と結論付けました。」
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レゾラ氏によると、望遠鏡から画像を構築することは、タイムラプス撮影した一連の画像から山頂の写真を合成しようとするようなものだという。雲が流れ、太陽が昇り沈むにつれて、山頂はショットごとに変化する。この場合の山頂は超大質量ブラックホールであり、非常に遠く、小さいだけでなく、目に見えない。
テキサス大学サンアントニオ校の物理学・天文学助教授であるリチャード・アナンチュア氏は、望遠鏡の観測に使用されたアルゴリズムについて説明した。「スパースデータを画像に変換するために、観測機器固有のビームの点像分布関数を除去するCLEANアルゴリズムなどの確立された手法を用いています」と、彼はThe Register紙に語った。「また、滑らかさ、スパース性、最大エントロピーの事前分布を含む最大尤度法を用いて画像を確認しています。」
このコードは様々なスーパーコンピュータクラスターで実行されました。「EHT提携大学やその他の機関に接続された、幅広い研究用コンピューティング施設を利用しました。主に使用した施設としては、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校のブラックホールクラスター、テキサス先端コンピューティングクラスター、そしてオープンサイエンスグリッドなどが挙げられます」と彼は付け加えました。
Sgr A*は、5000万光年離れたM87銀河に位置する、太陽質量65億倍の超大質量ブラックホールM87*と非常によく似ています。科学者たちは、EHTコラボレーションによって撮影された両方の画像は、アインシュタインの一般相対性理論の法則に従うため、あらゆるタイプのブラックホールは大きさに関わらず互いに似ていることを示していると考えています。
「一般相対性理論が超大質量ブラックホールの両端に作用しているように見える一貫したイメージが得られた」と、MITヘイスタック天文台の研究科学者、秋山和徳氏は語った。
これらの画像を手にした天文学者たちは、両天体を比較することで、超大質量ブラックホールとその影響についてより深く理解できるようになりました。「私たちは現在、ブラックホールの集団からの画像を扱うことができ、ブラックホールの集団構成を研究できる立場にあります。どちらの画像にもリング全体の構造が見られますが、M87*だけが方位角方向に偏った形状をしています。いて座A*には、リング全体に均一に分布したコヒーレントフラックスの斑点があります」とアナントゥア氏は語りました。
アナントゥア氏によると、ETHコラボレーションの科学者たちは、35億光年離れた連星系OJ 287天体など、撮影できると考えられるいくつかの超大質量ブラックホールに注目しているという。
ETH コラボレーションによる研究では、Sgr A* の影、質量、形状から、画像の撮影方法や処理方法まですべてが詳細に説明されており、ここに挙げた多数の学術出版物に掲載されています。®
