致命的な魅力！私たちはなぜブラックホールにそれほど魅了されるのでしょうか?

深淵を見つめるとき

深淵もまたあなたを見つめている

2019年4月

ブラックホールの初の写真が公開される

人類は初めて宇宙の深淵を真に見つめた

(人間によって撮影された最初のブラックホールの写真、画像ソース: @EHT Collaboration、タグ付け @小黑/星球研究院)

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現時点では

遠く離れた人々はブラックホールが存在するかどうか疑問視している

100年以上が経過した

ブラックホールの場合

これはほんの一瞬のことだ

しかし人間にとっては

それは常に想像力を覆す長い旅です。

このイデオロギーの嵐は100年以上も続いた。

これが私たちがこの記事を書くことができた理由です。

宇宙で最も暗い深淵へ連れて行きます

(ブラックホールのアーティストによる構想、画像ソース @wikimedia commons)

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それで

ブラックホールとはいったい何でしょうか？

なぜこれほど強力な力を持っているのでしょうか?

すべての物質、エネルギー、光さえも

誰もその致命的な魅力から逃れることはできない。

(NGC 1097 フォルナックス棒渦巻銀河、銀河の中心には巨大なブラックホールがある、写真家 @Yan Zhipeng)

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これらの質問に答えるために

まず、天文学の謎から始めましょう。

01

ミステリー

1964

科学者たちは天の川にある白鳥座の方向を発見した。

偶然発見された青い星

通常の恒星をはるかに超える質量と温度を持つだけでなく、

さらに不可解な疑問が2つあります。

(ベテルギウスと周囲の星空。ベテルギウスも普通の恒星をはるかに超える明るさと質量を持つ天体です。この写真は参考用であり、白鳥座の青い星ではありません。撮影者@欧铭枝)

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疑問1

天の川の中の一つの星として

それは天の川銀河の中心の周りを周回しています。

また別の楕円軌道に沿って回転する

(天の川銀河における太陽の位置。太陽は天の川銀河の中心の周りを回転しているだけで、他の軌道運動は行いません。画像提供: @NASA/JPL-Caltech/ESO/R. Hurt)

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疑問2

この青い星の近く

科学者が強力な高エネルギー放射線を検出

それ自体ではそのような高いエネルギーを生成することはできません。

もしかして

この星の周りには別の天体がありますか？

その存在が星の軌道を変えます。

そして強い放射線は発生しましたか?

しかし

もしそのような天体が本当に存在するなら

なぜ人々はそれを見ることができないのでしょうか?

これらの疑問を説明するために

人々は古代の予言を思い出した

02

預言

18世紀初頭には

科学者は予測する

空には特別な天体がある

その重力は非常に強い

光さえもそこから逃れられないように

したがって、私たちはこの天体を見ることができません。

この暗い物体は「ダーク スター」です (水平に見てください。ブラック ホール アーティストが描いたブラック ホールは、写真の最も明るい領域の中心にあります。画像ソース: @ESO/M. Kornmesser)

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しかし、当時

人類が知る物理学の理論はすべて

この「ダークスター」については誰も何もできない

合理的な説明をする

1915年まで

アインシュタインが一般相対性理論を完成させる

幻想的な予言は今や本当の理論的根拠を持つようになった

その後すぐに

ドイツの軍人であり天文学者であったカール・シュヴァルツシルト

第一次世界大戦の最前線で

「暗黒星」の半径の式を計算した

「ダークスター」の「影響」が初めて説明された

この式はシュワルツシルト半径と呼ばれる。

ここでの「ダークスター」という名前は

より響き渡る名前に置き換えられた

ブラックホール

（カール・シュヴァルツシルト、アインシュタインの一般相対性理論はブラックホールの存在を予言し、シュヴァルツシルトは理論方程式に最初の解を与えたため、ブラックホールの一種は彼にちなんで名付けられました。画像ソース：@wikimedia commons）

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シュワルツシルト半径は

ブラックホールの質量が大きいほど、

「影響」の範囲が広ければ広いほど

もし地球がブラックホールに圧縮されていたら

すると、シュワルツシルト半径はわずか9mmほどになる。

10セント硬貨の大きさ

（ハッブル望遠鏡と地球、画像提供：Visual China）

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シュワルツシルト半径で囲まれた

ブラックホールの内側と外側は全く異なる世界である

ブラックホール内で起こるすべてのこと

外からは見えない

したがって、この境界は事象の地平線とも呼ばれます。

(NGC 3201 ブラックホールの想像図。ブラックホールは近くの時空に影響を与えます。画像提供元: ESO/L. Calçada)

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物質が事象の地平線を通過してブラックホールの内部に入ると

中心に向かって否応なく落ちていく

無限の密度を持つ特異点が存在します。

物質は後戻りできない

とても魔法のようです

しかし、そのようなブラックホールは本当に存在するのでしょうか?

03

手がかり

ブラックホールの研究が盛んになっているように

第二次世界大戦の勃発の影響

多くの物理学者が原子爆弾の研究に取り組んできた

その中には「原爆の父」オッペンハイマーもいた。

1930年代後半、彼は

ブラックホールの存在を予測した

1942年

オッペンハイマーが任命された

マンハッタン計画の主任科学者

原子爆弾の開発に注力し始めた

それだけです

ブラックホールの話題は、別の理論上の天体が発見されるまで、徐々に忘れ去られていきました。

ブラックホール研究への人々の熱意が再燃

（オッペンハイマー氏（左から1人目）が周囲の人々に原爆爆発の写真を見せている。写真提供：@Visual China）

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1967

科学者たちは繰り返し

宇宙の奇妙な信号

1.337秒ごとに地球に定期的に訪れます。

当初、科学者たちはそれが異星文明からのメッセージだと考えた。

後に確認

この信号は、急速に回転する中性子星から発せられます。

ほぼ完全に中性子で構成された天体

天体の極から電磁波を放射する

深宇宙をスキャン

宇宙の灯台のように

広大な宇宙を旅する人々を導く

(高速回転する中性子星が示されています。中性子星の発見直後、ジョン・ウィーラーはブラックホールという用語を初めて使用しました。画像出典: @新片场、タグ付き @小黑/星球研究院)

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中性子星はブラックホールのようなものです。

すべての星の最終的な運命

地球上の生き物のように

宇宙の星にも「生と死」がある

スターライフステージ

自身の燃料の燃焼により、星は外側に「膨張」する。

物質間の引力に抵抗し

内側への「収縮」は、

二つの力が均衡すると

星は安定した存在を維持できる

(太陽は燃えています。太陽内部では核融合反応が起こっており、太陽は何億年もの間安定して存在してきました。宇宙の星などの天体の質量は通常比較的大きいため、その重さを測る際は太陽の質量が基本単位として一般的に使用されています。写真家@王佳奇)

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しかし、星の燃料はやがて尽きてしまいます。

この時点で燃焼によって発生した電力は消滅する

星は重力の影響で急速に内側に収縮します。

非常に密度の高い天体の形成

残りの余分な物質は捨てられる

星は死ぬ

最終的にどのような高密度の天体が形成されるのでしょうか?

星の質量によって異なる

太陽の8倍未満の質量を持つ星は崩壊して

表面温度が高く体積が小さい白色矮星

その最大質量は太陽の質量のわずか1.44倍である

これは私たちの太陽の最後の終わりでもあります

(シリウスにはAとBの2つの星があります。シリウスBは1915年に白色矮星と特定されましたが、星空での明るさはAよりはるかに低く、地上ではAの光しか見えません。古代中国の占星術では、シリウスは「侵略の兆し」です。蘇軾は『江城子・密州狩猟』の中で、「私は満月のように弓を引いて、北西を向いてシリウスを射ることができる」と書き、シリウスを北宋の国境にある西夏に例えています。撮影：@Wang Jin)

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太陽の8～30倍の質量を持つ恒星は崩壊して

中性子星

（ほ座超新星残骸は星が中性子星に崩壊した後に残った残骸です。残骸領域の物質エネルギーは比較的高く、可視光線やX線帯域で明るく見えます。撮影者：@有手就行）

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中性子星の質量が太陽の質量の3.2倍を超えると

さらに崩壊するだろう

ブラックホールの形成

（横向きでご覧ください。超大質量ブラックホールのアーティストによる想像図、画像提供：NASA/JPL-Caltech）

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以前

これらは星の死後に形成されるコンパクトな天体です。

観測によって確認されたのは白色矮星のみである

中性子星の発見により

人々には信じる理由がある

ブラックホール

本当に存在する可能性が高い

宇宙のきらめく灯台

それは人類がブラックホールの真実を見つけるための方向性を照らしているようです。

04

真実

1975

有名な物理学者スティーブン・ホーキング

私は物理学者の仲間キップ・ソーンと賭けをした

ホーキングは、奇妙な青い星が

近くにある未知の天体はブラックホールではない

キップ氏の見解は正反対だ。

その後の観察では

証拠が増えている

未知の物体の質量は太陽の質量の8.7倍です。

太陽の質量の3.2倍という中性子星の限界を超える

つまりそれはブラックホールです。

（横向きでご覧ください。アーティストは、はくちょう座X-1ブラックホールとその近くの青い星を想像しています。はくちょう座X-1は、人類史上初めて発見されたブラックホールです。その名前は、はくちょう座で発見された最初のX線源であることを示しています。X線は、高エネルギー電磁波の一種です。画像提供：@ESA/Hubble）

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1990年6月のある夜

ホーキングは助手の助けを借りてキップのオフィスに侵入した。

賭けにサインして負けを認める

そしてユーモラスに賭けに賛成した

実際、ブラックホールを研究するホーキングにとって

これはまさに彼が予想していた結末だ。

（ホーキング博士とキップ・ソーン博士（左から1人目）、2021年に科学者らは白鳥座X-1ブラックホールを再測定し、その質量が太陽の21.2倍であることを発見した、画像提供：@Visual China）

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それだけです

人類が初めてブラックホールを発見

これまでの疑問はすべて

合理的な説明がある

ブラックホールの存在は周囲の時空を歪ませる

青い星は曲線軌道に沿ってブラックホールの周りを回転します。

これはブラックホールの重力効果の現れです。

（アーティストは、天の川銀河の中心にあるブラックホールの存在により、周囲の星が楕円運動をしていると想像しています。青い円でマークされているのがブラックホールの場所です。画像提供：@ESO/M. Parsa/L. Calçada）

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疑問の一つは理解できます。

もう一つの疑問が解決

ブラックホールの強い重力

青い星から物質を引き寄せる

回転させてブラックホールに落ちさせる

円盤状の構造に蓄積される

降着円盤

(ブラックホールの降着円盤の視覚的シミュレーション。ブラックホールの強い重力により、異なる角度から見た降着円盤は異なる変化を見せます。ブラックホールの後ろの降着円盤からの光は前方に伝播するにつれて曲がります。画像提供: @NASA ゴダード宇宙飛行センター/ジェレミー・シュニットマン、@小黑/星球研究院のマーク付き)

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ディスク内の材料が互いに擦れ合う

数百万度の温度を発生

これにより高エネルギー放射線が発生する

(星に降着するブラックホールのアーティストの印象、画像ソース @NASA のゴダード宇宙飛行センター/Chris Smith (USRA/GESTAR)、タグ付け @小黑/星球研究院)

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また

集積された物質の全てがブラックホールに落ちるわけではない。

ブラックホールの磁場などの要因の影響を受ける

一部の物質は狭い流れに集まります

スプレーアウト

深宇宙を貫く剣のように

ジェット

放出された物質は宇宙空間を漂う

将来的には新たな天体が誕生するだろう

(ハッブル宇宙望遠鏡が撮影したヘラクレス座A銀河の超長ジェット構造、画像提供：NASA/ESA)

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ブラックホール自体と比較すると

降着円盤とジェットが明るく見えます。

これは天文学者がブラックホールを見つけるための強力なツールとなっています。

(ブラックホール構造の模式図、画像ソース@ESO、ESA/Hubble、M. Kornmesser/N. Bartmann、マーク@小黑/星球研究院)

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それだけではなく

ブラックホールの致命的な引力はさらなる手がかりを残す

光がブラックホールの周りを通過するとき

必然的に曲がった時空に沿って伝播する

表面現象から

光はもう一直線に進まない

角を曲がる

（ブラックホールの存在はそこを通過する光の軌道を変える、@小黑/Planet Research Institute による描画）

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ブラックホールの近くに別のコンパクト天体がある場合

この重力により

二つの天体が互いに周回している

そして最終的にはより大きな質量を持つブラックホールに融合する

(2 つのブラック ホールの周回運動のシミュレーション、画像ソース @NASA、タグ付け @小黑/星球研究院)

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その過程で

これら2つの天体の近くの湾曲した時空は乱れている

そして波の形で外側に放射する

これは時間と空間の波紋である

重力波

（2つのコンパクトな天体が互いの周りを回転し、重力波を外側に放射している。地図は@小黑/Planetary Research Institute提供）

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2015年に人類は

2つのブラックホールの合体による重力波

地球に到達するまでに13億光年を旅します。

科学者たちはこれに基づいて連星ブラックホールの質量を計算した。

天文学はこれまで

人間は目を使って見る

重力波の検出に成功

これは、人間が耳を使って

宇宙と時間からのささやきに耳を傾けてください

（米国のレーザー干渉計重力波観測所が測定した重力波合体イベントにおけるブラックホールの質量の比較。ブラックホールと他の天体の合体は、ブラックホールの質量が増加する原因の 1 つです。地図は @黑抓/星球研究院 によるものです）

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これらの方法を通じて

人類はますます多くのブラックホールを発見している

しかし物理学者の目には、それは信じられないほど単純なものなのです

すべてを網羅するには3つの物理量だけが必要です

最初の指標は「重さ」です

それが品質だ

2つ目の指標は「回転するかどうか」

通常は角運動量として表される

3つ目の指標は「充電されているかどうか」

充電

ブラックホールは質量に応じて3つのカテゴリーに分類できます。

太陽の100倍未満の質量を持つブラックホール

恒星質量ブラックホール

宇宙のほとんどの星は、最終的にこのタイプのブラックホールになります。

太陽の100万倍以上の質量を持つブラックホール

超大質量ブラックホール

この規模のブラックホールは通常、銀河の中心で見つかります。

銀河進化の重要人物

恒星ブラックホールと超大質量ブラックホールの間

中間質量ブラックホール

以前の2つのブラックホールと比較して

観測数が少ないため

このようなブラックホールについてはまだ十分にわかっていない

(コンパクト天体の質量と太陽の質量の比較。太陽はコンパクト天体ではありません。この写真は比較用です。画像提供: @NASA/CXC/Visual China/Wang Jiaqi、@黑抓/Planetary Research Institute による描画)

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品質によって分類されるだけでなく

角運動量と電荷によると

ブラックホールは4つのタイプに分けられる

(下の図は、回転と電荷によるブラックホールの分類を示しています。この画像は @Visual China から提供され、@黑抓/星球研究院 とマークされています)

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ブラックホールの謎は数多く発見されているが

しかし、これは

降着円盤、ジェット

重力の影響、重力波

間接的に見つける方法

風が見えないのと同じように

しかし、風に吹かれた砂を通り抜けることができる

そして間接的に風の存在を判断することは同じである

（横向きでご覧ください。ヤダン地形は典型的な風食地形で、その形成は風の作用と切り離せません。撮影者：@孙祺）

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人間の好奇心が科学者を駆り立てる

"百聞は一見に如かず"

ブラックホールはどのように見えるのでしょうか?

ブラックホールの真の姿を直接明らかにすることは可能でしょうか?

05

現れる

ブラックホールの写真を撮る

これは物理学者が出した答えである

しかし、これには

かつてないほど大きな望遠鏡

超大質量ブラックホールの観測を目指す

イベントホライズンテレスコープ

(イベント・ホライズン・テレスコープ、 EHT )

必要性から生まれた

(「食べる」ブラックホールの想像図。明るい降着円盤とジェットがその存在を証明しています。画像提供: @Aurore Simonnet および NASA ゴダード宇宙飛行センター)

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初め

主題を選ぶ必要がある

ブラックホールを鮮明に観察し、撮影するために

大きな質量と地球との距離が近いことが必須条件である

天の川銀河近くのM87銀河

たまたま超大質量ブラックホールがあるだけ

その質量は太陽の65億倍です。

(M87銀河は写真の中で最も明るい点です。画像提供：@ESO)

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このブラックホールはとても大きいのに

しかし、地球からはまだ5500万光年離れています。

地球から見る

それは月の表面に足跡を見るのと同じです。

これは望遠鏡の解像度能力をテストするのに最適です。

（地球から月の足跡を観察、地図は@Zheng Yi/Planetary Research Institute提供）

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望遠鏡の口径が大きいほど、

解像度が高いほど

貴州省の中国のスカイアイ

これは世界最大の単一開口電波望遠鏡である。

口径は500メートルに達する

しかし、それでも科学者の要求を満たすことはできない。

ブラックホールの写真を撮りたいですか？

望遠鏡の口径は「地球レベル」に到達しなければならない

(山々の間に位置する「中国天空の目」、写真家@酷鸟魏建)

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望遠鏡1台では機能しない

次に、複数の望遠鏡を使用する方法を見つけます

科学者は特別な方法を使用する

世界中の電波望遠鏡を統合

より大きな口径を持つ仮想望遠鏡に相当する

これは非常に長い基線干渉計です

（超長基線干渉法）

略してVLBI

望遠鏡間の距離は基線と呼ばれる。

仮想望遠鏡の口径は

最長基線長

ベースラインが長いほど

仮想望遠鏡の解像度が高くなるほど、

(横向きでご覧ください。四川省稲城市にある円形アレイ太陽電波撮像望遠鏡は、「千の目珠」とも呼ばれています。313 個のアンテナは仮想望遠鏡に相当します。撮影者: @蓝燕斌)

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最初のブラックホール画像に関係する8つの望遠鏡は、

メキシコ、スペイン、チリ、南極

アメリカ合衆国のハワイ州とアリゾナ州

これらは、地球の直径に相当する口径を持つ仮想望遠鏡を形成します。

(2017年のEHT望遠鏡アレイの分布。下図の英語の文字は望遠鏡の英語名の略称です。地図は@郑艺/Planetary Research Instituteより提供)

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望遠鏡の口径は

しかし、すぐに観察を始められるわけではありません。

完璧に組み合わせるために

観察は同時に行う必要がある

天候や観測ミッションの手配など多くの要因を考慮して

撮影に関わった8つの電波望遠鏡

2017年は、年間を通じて観測できる日数はわずか10日でした。

（横向きでご覧ください。ジェームズ・クラーク・マクスウェル望遠鏡（JCMT）とサブミリ波干渉計（SMA）は、米国ハワイの海抜4,000メートルの山にあります。高地環境のため観測結果は良好ですが、大気中の水分が観測に影響を与えるため晴天時に行う必要があります。撮影者：@虞乐）

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観察時間は短いですが

しかし、得られたデータは非常に豊富である

生成された観測データの総量は3500TBに達した

映画にすると、全部観るのに300年以上かかります。

このデータを処理しているだけです

2年かかりました

2019年4月10日

ブラックホールの初の写真が公開された

科学者たちは冗談でそれを「ドーナツ」と呼ぶ

明るい外側のリングはブラックホールを取り囲む降着円盤です。

真ん中の影がブラックホールがある場所です。

(ブラックホールの最初の写真、画像提供元: @EHT Collaboration、タグ: @小黑/Planetary Research Institute)

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M87 ブラックホールには長さ約 5,000 光年にも及ぶジェットも存在します。

しかし今回はブラックホールとその降着円盤だけが捉えられた。

「家族」は完全ではない

(M87 ブラックホールのジェット構造、写真の長い帯状の部分、画像ソース @wikimedia commons)

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2018年に

中国の科学者が率いる国際チーム

同じ技術的手段を使用して

新たな観測帯でM87ブラックホールを再撮影

新しい波長の望遠鏡は視野が広くなる

より多くのブラックホール構造を見ることができる

それだけではなく

望遠鏡の数も8台から16台に増加しました。

仮想望遠鏡の画質が大幅に向上

（2018年にブラックホールの撮影に参加した望遠鏡の地理的分布は以下のとおり。地図は@郑艺/Planetary Research Institute提供）

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2023年4月

科学者らがM87ブラックホールの「パノラマ写真」を公開

初めてブラックホールとその周囲の構造が一枚の写真に写し出された

(M87 ブラックホールのパノラマ写真では、ジェット構造が 3 つの部分に分かれており、「トライデント」のような形をしていることがわかります。画像提供: @R.-S. Lu (SHAO)/E. Ros (MPIfR)/ S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF)、注釈は @小黑/星球研究院)

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5か月後

中国の科学者は証明した

これは人類が「見た」最初のブラックホールだ

回転している

その前に

ブラックホールは回転していますか？

直接的な観察証拠はない

(M87 ブラックホールジェットの歳差運動が図に示されています。回転する物体の回転軸は、別の中心軸の周りを回転し続けており、これが歳差運動として現れています。出典: @崔玉竹、Intouchable Lab@Openverse、@小黑/星球研究院のマーク付き)

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遠く離れたM87ブラックホールに加えて

銀河の中心

超大質量ブラックホールもある

科学者も写真を撮影した

（2022年に公開された天の川銀河のブラックホールと中心領域の写真。ブラックホールの写真もドーナツのように見えます。画像提供元：@NASA/CXC/HST/ EHT Collaboration、@小黑/星球研究院のマーク付き）

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ブラックホールの画像化は天文学における画期的な進歩である

しかし、これはブラックホールの探査の第一歩に過ぎません。

科学者たちは将来さらに実験を行う予定だ。

例えば、異なるバンドのブラックホールの「カラー写真」を撮影する

「ブラックホール映画」を撮影するために時間軸も追加する

もしかしたら

より包括的な観察と理解により

ブラックホールはもはや謎ではない

06エンディング

ブラックホール

その致命的な重大さで

あらゆるものを引き付けるだけでなく

人間も探索に惹きつけられる

その存在

かつては人間の想像を超えていた

アインシュタインでさえかつて疑った

しかし、結局それは現実であると証明されました。

宇宙は本当に魔法のよう

見るまで待つのは遅くない

ブラックホールの探査の旅は私たちにも教えてくれる

考えを自由に展開させましょう

このようにしてのみ、人間は固定した概念を超越することができるのです。

新しい世界へ

それで

次の探検の旅では

どうぞあなたの考えを自由に展開させてください

しかし100年以上

（上空の星空は無限の未知と可能性に満ちています。写真家 @Windsky）▼

この記事は

執筆者: Xinghe

編集者：李 耀麗

画像: 張兆海

地図: 正義

デザイン: Xiaohei & Heizha

校正：ワン・クン、ソン・ナン

表紙クレジット: NASA/JPL-Caltech

監査専門家

馮海源、南方科技大学理論物理学博士

注: この記事で説明されているブラックホールの事象の地平線と特異点は、シュワルツシルト ブラックホールの背景に基づいています。