科学者たちは人類が初めて「見た」ブラックホールのパノラマ写真を撮影しました！

制作：中国科学普及協会

著者:陸如森(中国科学院上海天文台)

プロデューサー: 中国科学博覧会

原題：「“チャンネル”を変えてブラックホールを観察：M87ブラックホールはもう孤独ではない！」

北京時間2023年4月26日夜、中国の科学者が率いる国際研究チームは、「新チャンネル」で撮影したブラックホールの「パノラマ写真」、つまり人類が初めて捉えた「恒星ブラックホール」M87ブラックホールを新たな観測周波数帯で撮影した結果を発表した（図1参照）。

この写真では、M87 ブラックホールの影とその周囲の降着流およびジェット形成領域を初めて同じ画像で示しています。この新しい画像は、天文学者がM87ブラックホールを取り巻く環境におけるさまざまな物理的プロセスを分解して分析し、全体像を把握するのに役立つだろう。この研究は、Nature誌の最新号に掲載されています。

図 1: アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計 (ALMA) およびグリーンランド望遠鏡 (GLT) と連携したグローバルミリ波 VLBI アレイ (GMVA) によって 3.5 mm で観測された M87 のジェット構造 (色は対数スケールでマークされています)。このバンドでは初めて高密度の核が解像され、高解像度の条件下ではリング状の構造として現れます (挿入図、線形スケールで色がマークされています)。リング構造の角直径は、イベント・ホライズン・テレスコープ (EHT) で観測されたリング構造の 1.3 mm よりも約 50% 大きいです。

画像提供: R.-S.Lu (SHAO)、E.Ros (MPIfR)、S.Dagnello (NRAO/AUI/NSF)

「新しいチャネル」でブラックホールの「尾」を撮影

2019年4月10日、イベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）共同研究チームは、人類史上初めてM87銀河の中心にあるブラックホールの写真を撮影したと発表し、M87ブラックホールは一夜にして世界中で「人気者」となり、ブラックホールの中でもよく知られた「有名人」となった。

しかし、M87の観測の歴史に詳しい人なら、100年以上も前に、M87銀河の中心から5,000光年先まで伸びる「奇妙な直線光線」（つまりジェット）と呼ばれる特異な平行光線があることが発見されたことを知っている。これはM87のジェットです。

実際、現在までに、M87 のジェットは、図 2 に示すように、低エネルギーの電波から高エネルギーのガンマ線まで、すべての電磁放射帯域で完全に画像化されています。しかし不思議なことに、初期段階で EHT によって撮影されたブラックホールの画像にはジェットは見られませんでした。さらに、理論では、ブラックホールの周囲に降着流があり、それがジェットを「照らす」エネルギー源であると示唆されているが、これまで降着流を直接画像検出した例はない。

図2: M87銀河の中心の異なるスケールの画像

画像出典: 参考文献4

そこで疑問なのは、なぜ EHT がジェット機を捕獲しなかったのかということです。これには2つの理由が考えられます。理由の 1 つは望遠鏡の分布です。EHT は世界中に 8 基の電波望遠鏡を配置したシステムですが、望遠鏡間の距離が遠すぎます。アレイによって形成される仮想望遠鏡の「視野」はブラックホールの周囲の非常に狭い領域に限定されるため、ブラックホールの外側のジェットを撮影することはできません。

もう一つの理由はジェット機そのものです。ジェットは観測波長が短いほど弱く見えるため、検出が難しくなります。特に、EHT が動作する 1.3 mm の波長帯では、ブラックホールの強力な重力レンズ効果により、降着流とジェットからの光が同様の大きさのリング構造に曲げられます。そのため、たとえEHTがジェットを捉えたとしても、それは影の周りの明るいリングの中に隠れてしまう可能性が高い。これはまた、1.3 mm のブラックホールの周りの明るいリングの画像を見ただけでは、それが降着流によって生成されたものかジェットによって生成されたものか区別できないことを意味します。

EHTが捉えきれなかった初期ジェット形成領域の撮影、M87ブラックホール周囲の降着流の撮影、ブラックホールと降着流・ジェットの関係を探るため、地球の直径に相当する電波望遠鏡16台を用いて、2018年4月に初めて3.5mm帯でのM87の撮影観測を実施しました。観測アレイの概略図を図3に示します。

16 台の望遠鏡は、超長基線干渉法 (VLBI) 技術を使用して 1 つのアレイに統合されており、これには、全球ミリ波 VLBI アレイ (GMVA)、アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計 (ALMA)、グリーンランド望遠鏡 (GLT) の 14 台の望遠鏡が含まれます。 GMVA のみを使用して行われた以前の観測と比較して、ALMA の追加によりアレイの観測能力が大幅に向上しました。これにより、南北方向（ジェットに垂直）の解像度が 4 倍向上し、超高感度でアレイ全体が「固定」されます。 ALMA は、現在のミリ波 VLBI 観測アレイにおける真のゲームチェンジャーのようなもので、ALMA 観測プロジェクトを獲得した瞬間から、チーム全体が興奮していました。誰もが本当の「キング爆弾」がやってくることを知っていたからです。

図3: グローバルミリ波VLBIアレイ（GMVA）、アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計（ALMA）、グリーンランド望遠鏡（GLT）で構成される2018年の観測アレイの概略図

画像クレジット: MPIfR/Helge Rottmann

新しいアレイによって捕捉された新しい特徴

良い手札を出して勝つのは簡単ではありません。新しく形成された望遠鏡アレイが連携して動作すると、さまざまな予期せぬことが起こります。例えば、アレイに加わったグリーンランド望遠鏡は新しい望遠鏡であり、作業に参加した時点ではまだデバッグ段階にあります。観測プロセス中に、導波管ベースの位相回転子が誤って構成されたため、その後のデータ処理と分析のために特別なアルゴリズムの開発が必要になりました。観察すると、このような予期せぬ状況が他にもたくさんあります。

この目的のために、私たちは「相互相関」とそれに対応する「相関後処理」の 4 回の VLBI 解析を実行し、最終的に信頼性の高い画像化に使用できるデータを取得しました。

この繰り返し処理は苦痛でしたが、実際にいくつかのデータを処理して確認してみると、一目見て面白い特徴があることに驚きました。アレイ内の離れた 3 つの望遠鏡によって形成されるいくつかのベースライン三角形で測定された「閉じた位相」がほぼ 180 度であることがわかりました。これは、M87 の「電波コア」が解像されたことを意味します。

同時に、測定された「可視性」の振幅は、基線長が増加するにつれて最初は減少し、その後増加し、いわゆる「可視性ヌル」を形成することがわかりました（下記および図4を参照）。これらは、同様の 3.5 mm 観測ではこれまで見られなかったデータの特徴です。

この予想外の機能は私たちを興奮させ、前進するための大きな動機を与えてくれました。今回は絶対に「商品」があるだろうとチーム全員が分かっていた。 「出荷」の信頼性を確保するために、一方では異なるチームメンバーが独立したデータ校正を実行して結果を相互に検証し、他方では異なるデータ校正方法を使用して結果を確認します。

実際、これらのデータの特徴は、画像化される前に M87 のブラックホールの構造について多くのことを教えてくれます。たとえば、「閉位相」と「可視性」の両方の振幅特性は、予想されるリング構造と一致しており、振幅情報における「ゼロ点」の位置からリングのサイズもわかります。図 4 は、望遠鏡間の基線長に応じて変化する理想的なリングの可視性の振幅を示しています。リングのサイズが変わると、「ゼロポイント」の位置も変わります。

興味深いことに、私たちが 3.5 mm で測定した「ゼロ ポイント」の位置は、EHT によって 1.3 mm で観測された最初の「ゼロ ポイント」の位置とは大きく異なり、2 つのリング構造のサイズが異なることを示しています。私たちが測定した「ゼロ点」の位置に対応する基線長が短いため、3.5 mm で観測されるリングは大きいことになります。同時に、2 つのリングのサイズの違いが観測時間の違いによるものではない (ブラックホールが太ったわけではない) という十分かつ信頼できる証拠もあります。

そこで質問なのですが、指輪のサイズが違っていても問題ないのでしょうか？

図 4: 理想化されたリング モデルに対応する可視性データの振幅は、(投影された) 望遠鏡間基線長 (観測波長の単位) に応じて変化します。リングの直径が大きくなるにつれて、その可視性の最初の「ゼロ ポイント」が短いベースラインに向かって移動します。図中の黒い縦線は、現在地上のグローバル 3.5 mm アレイで達成可能な最長基線長 (波長の約 3×109 倍) を示しています。これまでの EHT 観測と一致する 42 マイクロ秒角という理想的なリング サイズの場合、地上アレイでは 3.5 mm の特徴的な特徴を検出するのが難しく、それを解像して正確な形状を決定することが困難になります。ただし、理想的なリング サイズが 64 マイクロ秒角の場合、それに対応する最初の「ゼロ ポイント」は、地上の 3.5 mm アレイによって検出できます。

画像提供：中国科学院上海天文台

認知的前提を覆す大きなドーナツ

実際、当初は地上の干渉計アレイが 3.5 mm のリング状構造を観測したり、可視性のこの「ゼロ ポイント」を検出したりできるとは誰も考えていませんでした。

これは、EHT ブラックホールの影の画像の「ドーナツ」がブラックホールの周りの無色 (無彩色) の光子リングに対応する場合、3.5 mm でのそのサイズ (角直径) は 1.3 mm の場合と同じ 42 マイクロ秒角になるはずであるためです。可視振幅の最初の「ゼロ点」の位置は、地球上の 3.5 mm アレイでカバーできる範囲をはるかに超えるため (図 4 の黒い線で表示)、検出できません。

この固定した仮定では、地上アレイが 3.5 mm のリング構造を検出できるとは考えられませんでした。興味深いのは、この仮説を維持するために、新しい観測プロジェクトを提案する際に、一部の協力者は、EHT 画像のドーナツを説明するために「リング」や「リング状」などの「特定の」言葉の使用さえ許可していないことです。

図5: 3.5 mmと1.3 mmで観測されたM87*（M87の電波核）の実際の画像

画像提供：中国科学院上海天文台

実際に私たちが想定していたよりも大きなリングが見られ、これまでの想定が覆されました。

観測データから画像を再構築しながら、この結果をさらに確認しました。さまざまな VLBI イメージング手法を使用して、画像内にリング状の構造を発見しました。これは、観測データで見つかった特徴と一致しています。以前の EHT 作業と同様に、多数の画像パラメータを検索して最終画像を決定しました。

イメージングパラメータに加えて、データ内のジェット成分がコンパクトコア領域のリング構造のイメージングに及ぼす潜在的な影響も考慮します。多数の画像、アレイ内の望遠鏡のレイアウト、画像の詳細に対するさまざまな画像パラメータの影響を分析し、最終的に、M87 の中心核にリング状の構造が実際に存在することを突き止めることができました。

最終的に、多数の画像でリング構造のサイズを測定し、観測データを直接モデルフィッティングすることで、3.5 mm で観測されたリング構造のサイズは 64 マイクロ秒角であり、これは EHT によって 1.3 mm で測定されたリング構造 (42 マイクロ秒角) よりも 50% 近く大きいことが判明しました。

それで、この新しい巨大ドーナツは何を意味するのでしょうか?

新しい画像が物理学を明らかにする

私たちはコンピューターを使用してブラックホールの降着流とジェットをシミュレートし、これらの物理的プロセスによって生成された光が観測画像をどのように形成するかを計算します。リング構造を形成する光が主に降着流か​​ら来るのか、それともジェットから来るのかを知りたかったので、光がすべて降着流によって生成される場合と光がすべてジェットによって生成される場合の2つのケースを比較しました（光が主に降着流によって生成される場合と光が主にジェットによって生成される場合を考慮しても、最終的な結論は変わりません）。

1.3 mm では、降着流とジェットの両方からの光が重力レンズ効果を受けて、EHT の観測と一致するリングを形成できることが分かりました。しかし、3.5 mm では、私たちの観測と一致するより大きなリングを生成できるのは、降着流モデルだけです。これは、降着流が完全に「透明」ではないためです。降着流の内側領域で発生した光の一部は外側領域を通過する際に吸収されますが、外側領域で発生した光は吸収されません。このようにして、降着流の外側の領域からより多くの光がもたらされ、リング構造のより大きな画像が形成されます。

理論的には、ブラックホールの周りの「ドーナツ」をさらに分解すると、実際には多くの異なるサブリングで構成されます。重力レンズ効果の影響により、一部の光は観測者に到達する前にブラックホールを数回周回し、非常に薄いサブリングを形成します。 n をサブリングの数を表すために使用する場合、光は観測者に到達する前にすでにブラックホールの周りを n/2 回回転しています。 n=0 のリングは、光が放射された後、直接望遠鏡に到達したときに形成される像です。このリングのサイズのみが観測波長によって変化します。波長が長くなるほど、降着流はより「不透明」になり、n = 0リングは大きくなります[図6]。

図 6: ブラックホール画像の構成の概略図。ブラックホールの強力な重力は、周囲の明るい物質に「影」を落とします。影は、ブラックホールから脱出する前にブラックホールの近くを通過した光子に対応する明るい光のリングで囲まれています。リングは、次第に鋭くなるサブリングの重ね合わせで構成されています。 n 番目のサブリングに対応する光子は、観測者に到達する前にブラックホールの周りを n/2 回回転します。このうち、サブリング n=0 は、ブラックホールの周りの放射領域の「直接的な」画像です。観測波長が長くなると、放射線の不透明度により n = 0 リングの直径が大きくなります。

画像提供：中国科学院上海天文台

降着流モデルによる観測結果の説明が成功したことは、この観測が降着流の初めての直接画像検出であることを意味します。

一方、新しい画像のジェット構造により、その起源をさらに理解することもできます。

私たちの観測アレイは、EHT アレイ（EHT の最初のブラックホール撮影では 5 か所に分散した 7 つのステーションのみ）よりも多くのステーション（合計 16）を備えているため、感度が高く、この帯域ではジェットがより明るいため、ブラックホールから約 100 シュワルツシルト半径（Rs）以内の領域の詳細な画像を取得できます（図 1 および 5 を参照）。

ジェットは実際にブラックホールの事象の地平線の近くで生成され、縁が明るくなった 3 本の歯のある「背骨/鞘」構造があることが分かりました。この構造はジェット内の速度成層によるものと考えられます。さまざまな場所でジェットの幅を測定することで、M87 ジェットの幅のプロファイル (つまり、ブラックホールからの距離によるジェットの幅の変化) が、ブランフォード・ズナイエク機構によって生成されるジェット、つまりブラックホールの回転エネルギーを抽出することによって生成されるジェットと正確に一致することがわかりました。しかし、ブラックホールの端（約 20Rs 以内）では、観測されたジェットは、このメカニズムによって予測されるジェットよりも大幅に広くなります。これは、降着流における「風」の影響によるものと考えられます。将来的には、より長期的な観測によって、「風」がジェット機にどのような影響を与えるかという動的なプロセスが明らかになることが期待されます。

図7: ブラックホールからの距離の関数としてのジェットの幅

画像出典：参考文献[1]

「新しい」ものから始める：ブラックホールの「カラー」写真と動画を撮影する

現在、EHTが1.3mmで撮影した前回のブラックホール画像と、今回撮影した3.5mmのブラックホール画像は、どちらも単色の「電波光」を使って撮影した静的な「白黒」写真です。近い将来、同時多周波観測によりブラックホールの「カラー」写真や「カラー」動画を撮影できるようになるでしょう。このようにして、ブラックホール画像における重力によって生じた「無色」かつ「永遠」の構造と、天体物理学的プロセスによって生じた「有色」かつ「時間とともに変化する」構造を区別することができ、ブラックホール周辺の時空をより深く探究し、ブラックホール周辺の関連する天体物理学的プロセスを理解することができます。

私たちは約5年にわたって、グローバルミリ波VLBIアレイを使用し、ALMAおよびGLT望遠鏡と組み合わせて、EHTと同様のさまざまな観測周波数帯域でM87ブラックホールとその周囲の降着流とジェットを画像化し、ブラックホールの「パノラマ写真」を撮影しました。全体の作業の主な完了時期は、新型コロナウイルス感染症の世界的流行と重なりましたが、チームメンバー間の緊密なコミュニケーションと連携が妨げられることはありませんでした。大まかに言えば、著者は、このタスクを最終的に成功させるまでに、ほぼ 100 回の電話会議を企画し、ほぼ 1,000 通の電子メールでやり取りしました。将来的には、M87を含む近隣の超大質量ブラックホールを複数の周波数で長期同時監視することにより、近い将来にブラックホールの「カラー」動画を撮影できるようになることを期待しています。

参考文献:

[1] Lu, R.-S., Asada, K., Krichbaum, TP et al., “M87のブラックホールとジェットをつなぐリング状の降着構造”, 2023年, Natrue, 印刷中。

[2] 陸如森と左文文、「世界初のブラックホール写真が公開。中国の科学者はどのような貢献をしたのか？」、2019年、サイエンス・デイリー

[3] カーティス、HD「クロスリー反射望遠鏡で撮影された762個の星雲と星団の説明」、1918年、リック天文台の出版物、13、9。

[4] EHT MWLサイエンスワーキンググループ、Algaba, JC、Anczarski, J.、他「2017年イベントホライズンテレスコープキャンペーン中のM87の広帯域多波長特性」、2021年、ApJL、911、L11。

[5] イベント・ホライズン・テレスコープ・コラボレーション、秋山K.、アルベルディA.、他「M87イベント・ホライズン・テレスコープの最初の成果I：超大質量ブラックホールの影」、2019年、ApJL、875、L1。

[6] Kim, J.-Y., Lu, R.-S., Krichbaum, TP, et al., “Global mm-VLBIによる6Rsch解像度でのM87の相対論的ジェットの基部の解析”, 2016, Galaxies, 4, 39.

[7] Kim, J.-Y., Krichbaum, TP, Lu, R.-S., et al., “The rim-brightened jet of M87 down to the 7 Schwarzschild radii scale”, 2018, A&A, 616, A188.

[8] イベント・ホライズン・テレスコープ・コラボレーション、秋山K.、アルベルディA.、他「M87イベント・ホライズン・テレスコープ初の成果。IV.中心の超大質量ブラックホールの画像化」、2019年、ApJL、875、L4。

[9] Blandford, RD & Znajek, RL、「カーブラックホールからのエネルギーの電磁抽出」、1977年、MNRAS、179、433。