プレスリリース:史上初、ブラックホールの撮影に成功


史上初、ブラックホールの撮影に成功
― 地球サイズの電波望遠鏡で、楕円銀河M87に潜む巨大ブラックホールに迫る

計算基礎科学連携拠点
2019年4月10日

発表概要

イベント・ホライズン・テレスコープは、地球上の8つの電波望遠鏡を結合させた国際協力プロジェクトであり、ブラックホールの画像を撮影することを目標としています。2019年4月10日、研究チームは世界6か所で同時に行われた記者会見において、巨大ブラックホールとその影の存在を初めて画像で直接証明することに成功したことを発表しました。

イベント・ホライズン・テレスコープで撮影された、銀河M87中心の巨大ブラックホールシャドウ。リング状の明るい部分の大きさはおよそ42マイクロ秒角であり、月面に置いた野球のボールを地球から見た時の大きさに相当します。
Credit: EHT Collaboration

この成果は、アメリカの天文学専門誌『アストロフィジカル・ジャーナル・レターズ』特集号に6本の論文として掲載されました。今回撮影されたのは、おとめ座銀河団の楕円銀河M87の中心に位置する巨大ブラックホールです[1]。このブラックホールは、地球から5500万光年の距離にあり、その質量は太陽の65億倍にも及びます[2]

イベント・ホライズン・テレスコープは、世界中の電波望遠鏡をつなぎ合わせて、圧倒的な感度と解像度を持つ地球サイズの仮想的な望遠鏡を作り上げるプロジェクトです[3]。イベント・ホライズン・テレスコープは長年にわたる国際協力の結果であり、アインシュタインの一般相対性理論で予言された宇宙のもっとも極限的な天体を探る新しい手段を研究者たちに提供します。なお今年は、一般相対性理論が歴史的な実験によって初めて実証されてから100年の節目の年に当たります[4]

本研究には重点課題9サブ課題Cメンバーの川島朋尚特任助教が参加しており、本プロジェクトで開発した一般相対論的輻射輸送計算コードを利用して、一般相対論的磁気流体シミュレーションモデルに基づいたブラックホール・シャドーの解析を行っています。日本の理論メンバーとして独自の理論研究、計算コード開発、シミュレーション研究、観測家との連携研究の蓄積を進め、次期の観測提案作成をリードする貢献もしています。

会見中、記者からの質問に答える形で、シミュレーション研究の予測ではブラックホール周囲のプラズマの状態によっては光子球の内側、より事象の地平面に近い部分を見ることも可能という解説を川島助教が行い、時間変化を含めて将来の観測として考えていることも発表代表者から話されていました。

川島さんからのコメント
「今回のEHTによる観測とこれを受けて実施された大規模な数値シミュレーションにより、M87に回転する巨大ブラックホールが存在することを示す強い証拠を得ることができました。もともとポスト京のプロジェクトで開発していた一般相対論的輻射輸送コードを適用することで、このような大きな成果に貢献できて大変嬉しく思います。ところで、今回EHTで観測されたM87のブラックホールはジェットを噴出していることがわかっています。今後、私は共同研究者と共に,今回のブラックホールシャドウの画像とM87のジェットの観測画像を同時に説明できる理論モデルの構築を進め、さらには大規模な計算を実施して理論イメージの詳細な時間変動を明らかにすることで、ブラックホールの自転の速さの謎に迫りたいと考えています。」

この研究成果は、以下の6本の論文として、米国の天文学専門誌『アストロフィジカル・ジャーナル・レターズ』特別号に2019年4月10日付で掲載されました。
First M87 Event Horizon Telescope Results I: The Shadow of the Supermassive Black Hole
First M87 Event Horizon Telescope Results II: Array and Instrumentation
First M87 Event Horizon Telescope Results III: Data Processing and Calibration
First M87 Event Horizon Telescope Results IV: Imaging the Central Supermassive Black Hole
First M87 Event Horizon Telescope Results V: Physical Origin of the Asymmetric Ring
First M87 Event Horizon Telescope Results VI: The Shadow and Mass of the Central Black Hole

この研究は、文部科学省/日本学術振興会科学研究費補助金(No. 18K13594, 18K03656, 18H01245, 18H03721, 18KK0090, 25120007, 25120008)、大学共同利用機関法人自然科学研究機構「ネットワーク型研究加速事業」、文部科学省ポスト「京」重点課題9「宇宙の基本法則と進化の解明」および計算基礎科学連携拠点(JICFuS)、東レ科学振興会東レ科学技術研究助成、住友財団基礎科学研究助成(170201)他、国際的な支援を受けて行われたものです。

くわしくは国立天文台のプレスリリースをご覧ください。
https://www.nao.ac.jp/news/science/2019/20190410-eht.html

用語解説

[1] 
ブラックホールは、光さえも抜け出すことができない完全に真っ暗な天体です。ブラックホールシャドウは、そのブラックホールにもっとも近くまで視覚的に迫れる理論的な限界といえます。ブラックホールの表面は「事象の地平面(Event Horizon)」と呼ばれ、シャドウより2.5倍小さいサイズになります。M87の中心にある巨大ブラックホールの場合、事象の地平面の大きさはおよそ400億kmになります。
[2] 
巨大ブラックホールは、その名に反して非常にコンパクトな天体です。そのため、これまで直接観測することは不可能でした。ブラックホールのサイズはその質量に比例し、ブラックホールの質量が大きいほどシャドウも大きくなります。M87の中心にある巨大ブラックホールは非常に大質量でありながら宇宙全体から見れば地球に近い場所にあるため、地球からの見かけの大きさが最も大きなブラックホールになります。このため、イベント・ホライズン・テレスコープの絶好の観測対象でした。
[3] 
イベント・ホライズン・テレスコープを構成する各望遠鏡は、物理的に直接つながっているわけではありませんが、非常に精密な原子時計によってデータが正確に同期されています。今回の観測は2017年4月に行われ、波長1.3mmの電波が観測されました。イベント・ホライズン・テレスコープの各望遠鏡は1日350テラバイトという膨大なデータを生み出し、ヘリウムガスが充填された高性能なハードディスクに蓄積されました。これらのデータは、マックスプランク電波天文学研究所とマサチューセッツ工科大学ヘイスタック観測所にある専用の高性能スーパーコンピュータ(相関器)に運ばれ、処理されました。処理されたデータをもとに、研究者たちは苦心して自分たちで作ったソフトウェアを使って画像化を行いました。
[4] 
今からちょうど100年前の1919年、アフリカ沿岸のプリンシペ島とブラジルのソブラルで、皆既日食観測が行われました。この観測は、アインシュタインの一般相対性理論で予言される、太陽の重力による星の光の曲がりをとらえることを目的としていました。この時の観測と呼応するように、イベント・ホライズン・テレスコープの観測では研究者たちが世界各地の電波観測施設に散って観測を行い、重力に対する私たちの理解をふたたび検証しました。

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