宇宙の鏡: ブラックホールは光を歪めて複数の鏡像を形成しますが、これは本当に美しいです!

ブラックホールは宇宙を歪めて複数の画像を形成する

ブラックホールのイラスト（画像提供：マーク・グリック/サイエンス・イメージ・ライブラリー）

魅惑的な鏡の回廊で銀河全体をマッピングすることを想像してみてください。銀河の各画像は、繰り返すごとにますます奇妙で歪んでいくことがわかります。これは、宇宙で最も歪んだ場所の 1 つであるブラックホールの事象の地平線付近の宇宙の様子です。

物理学者たちはこれまでもこれらの領域がどのようなものかについてある程度の考えを持っていたが、新たな計算によってブラックホールの周囲で何が見えるかが正確にシミュレートされ、アインシュタインの一般相対性理論を検証する新たな方法の可能性が開かれた。

ぐるぐる

ブラックホールの近くのエリアは確かに奇妙です。質量に関係なく、ブラックホールはすべての物体を平等に扱います。光はブラックホールの事象の地平線に飲み込まれ、その巨大な重力から逃れられるものは何もない。

しかし、ブラックホールの後ろに銀河を置き、反対側から見ると、銀河の歪んだ画像が見えるでしょう。それは、銀河からの光の一部がブラックホールの縁をかすめながらもブラックホールの中に落ち込まないためです。

そのような光は、ブラックホールの強力な重力によって視線の方向に曲げられます。不思議なのは、観測者にとって、見える銀河はブラックホールの真後ろにあるのではなく、ブラックホールから遠く離れているように見えることです。

ブラックホールの周囲の重力は非常に強いため、時空は大きく歪んでいます。その結果、ある一定の距離では、光自体がブラックホールの周りを周回できるようになります。背景の銀河からの光の一部はブラックホールに閉じ込められ、永遠にブラックホールの周りを循環します。

しかし、光がブラックホールの軌道に閉じ込められるには、ブラックホールから一定の正確な距離にある必要があります。また、ブラックホールに角度をつけて衝突し、ブラックホールが最終的に脱出する前に 1 回 (または複数回) ループする可能性もあります。

ブラックホールの端を見ると、反射された光によって背景の銀河の像が目に映ります。次に天の川の 2 番目の画像が表示されます。光は逃げる前に1周を無事に終え、その後2周、3周と周回していく様子が観測された。

物理学者は何十年もの間、単純な推定値を用いて、各画像が前の画像よりもブラックホールの端に e2π 倍近いことを示してきました。

この式では、e は自然対数の底であり、およそ 2.7182 に等しくなります。円周率は別の無理数で、およそ 3.14159 なので、e2π は 500 に非常に近い数値になります。これは、同じ背景オブジェクトが繰り返されるたびに、前回よりもブラックホールの端に約 500 倍近づくことを意味します。

この図は、ブラックホールの端近くの背景によって光がどのように反射されるかを示しています。

ブラックホールの背景にある銀河からの光がブラックホールを取り囲み、宇宙の無限の「鏡」像を作り出します。 (画像提供: ピーター・ローソン)

少し努力する

物理学者はペンと紙を使った計算でこの簡単な結果を得ることができますが、ブラックホール付近の時空の複雑な曲率を詳しく調べた場合、500 という特別な係数が完全に正確であるかどうかはわかりません。

新しい研究で発表された結果では、デンマークのコペンハーゲン大学ニールス・ボーア研究所の大学院生アルバート・スネペン氏が数値手法を使用して、ブラックホールの近くを周回する（そして逃げる）光の物理をシミュレートした。彼は高精度の測定では 500 という係数が一定のままであることを確認しました。彼の研究結果は「Scientific Reports」誌に掲載された。

「なぜこれらの画像がこのように優雅に繰り返されるのか理解するのは美しいことだ」とスネッペン氏は声明で述べた。

スネペンは、500 という係数は単純化された静止したブラックホールにのみ適用されることを発見しました。現実の宇宙ではブラックホールが回転しており、それによって光がブラックホールを周回する方法が変わり、その結果、画像が現れる距離も変わります。

「ブラックホールが非常に高速で回転しているときは、ブラックホールに500倍近づく必要はなく、はるかに小さくなることが判明しました」とスネッペン氏は語った。 「それぞれの画像は、ブラックホールの端からわずか 50 倍または 5 倍、あるいは 2 倍にまで近づきました。」

ブラックホールの回転により周囲の時空が歪むため、背景の物体の連続した画像はそれぞれ平坦に見えます。その結果、最も遠い画像は比較的歪みなく表示されますが、最も近い画像はまったく認識できない可能性があります。

遊園地に入る

技術的には、画像を繰り返す背景オブジェクトは無限にあり、それぞれが事象の地平線に近づいています。現実には、最も強力な望遠鏡でも解像できる画像はほんのわずかであるため、人間がそれを見ることはおそらく不可能でしょう。

しかし、これらのいくつかの例は、重力を記述する数学理論である一般相対性理論の核心を垣間見る強力な手段となるだろう。

2019年、世界中に広がる円盤状の望遠鏡ネットワークであるイベント・ホライズン・テレスコープは、ブラックホールの周囲のガスと塵に投影されたブラックホールの「影」の画像を初めて生成した。この望遠鏡は背景の物体の複数の鏡像を捉えるほど強力ではないが、将来の望遠鏡ではそれが可能になるだろう。

望遠鏡で観測された鏡像とスネペンが計算したデータを比較することは、一般相対性理論の前例のないテストである。たとえば、ブラックホールの背後に超新星（死にゆく恒星の超強力な爆発）があった場合、私たちはその超新星が何度も爆発するのを見ることになります。各画像はブラックホールを何回周回するかに応じて一定の時間遅延され、研究者らが理論と現実を比較できるようにしている。

私たちはただ、長い間虚空を見つめ続ける覚悟を持たなければなりません。

著者:ポール・サッター

FY: 董 美慧

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