天の川銀河の中心にあるブラックホールの最初の写真を理解するのに役立つ 5 つの質問

昨夜、天の川銀河の中心にあるブラックホールの初の写真が公開された。

天の川銀河の中心にあるブラックホールの初の写真！（EHT協働組織提供）

5月12日21時7分、上海を含む世界同時開催の記者会見で、天文学者たちは天の川銀河の中心にある超大質量ブラックホールの初の写真を公開しました。

この写真は、世界中に分散した電波望遠鏡のネットワークを使用して、イベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）コラボレーションによって組織された国際研究チームによって「撮影」されました。

天の川銀河の中心にあるブラックホールのこの写真を見ると、私たちは皆とても興奮します。なぜなら、2019年4月10日にブラックホールの最初の写真が公開されてから3年が経ったからです。今、この貴重な写真は私たちにさらなる疑問を提起し、私たちが探索して発見するのを待っています。

質問 1: 天の川銀河の中心にあるブラックホールは地球に近いのに、なぜ最初のブラックホールは写真に撮られなかったのでしょうか?

2019年に初めてブラックホールの写真（M87の中心にあるブラックホールの写真）を見て以来、人々は自分たちの銀河の中心にあるブラックホールの写真に魅了され、ずっと心に留めてきました。

この写真は2017年に撮影され、2年後の2019年には、地球から5500万光年離れたM87のブラックホールの写真を入手しました。ブラックホールの姿をはっきりと観測できたのは今回が初めてです。天の川銀河のブラックホールと比較すると、M87 ブラックホールには大きな利点があります。自転軸はわずか17度で、自転軸の方向に沿ってほぼ見ることができるため、遮るものがほとんどなく、M87ブラックホールの写真を見るのは比較的簡単です。

M87 の中心にあるブラックホールの写真 (EHT 共同研究提供)

天の川銀河の超大質量ブラックホールは、私たちの銀河系の超大質量ブラックホールであり、天の川銀河の中心に位置しています。すぐそばにあるから、写真も撮りやすいのでは？と思う人もいるでしょう。

実際、詩にあるように、「私はすでに廬山の中にいるので、廬山の本当の姿を見ることができない」のです。このブラックホールは天の川銀河の中心に位置しているのですが、私たち自身も天の川銀河の中にいるので、写真を撮るのが難しくなっています。

私たちは、光波を超えた電波や赤外線の助けを借りて、私たちの銀河や他の銀河について徐々に知るようになりました。私たちの天の川銀河のブラックホール（Sgr. A* と呼ばれる）の方が近いのですが、障害物があるためデータ処理がより困難で時間がかかるため、「写真を撮る」のに時間がかかります。

しかし、この写真が私たちの銀河の中心にあるブラックホールの写真であるので、待つことでこの写真の公開はさらに興奮するものになります。これは、2019年にEHT共同研究チームが、より遠方の銀河M87にある中心ブラックホール（M87*）を捉えたブラックホールの最初の写真を公開して以来、新たな大きな進歩となる。

質問 2: 天の川銀河の中心にあるブラックホールのこの写真はどのように撮影されたのでしょうか? M87銀河の中心にあるブラックホールの写真と比べて、どのような新しい手法が使われているのでしょうか？

周知のように、M87 はほぼ自転軸の方向にありますが、私たちは銀河の円盤上にいるので、M87 と比較すると、天の川銀河の中心にあるブラックホールは撮影時にかなり不明瞭になります。たとえば、可視光線で天の川を観測すると、塵やその他のガスなどの大きな障害物が見えます。このとき、より波長の長い赤外線や電波帯域を使用する必要があります。現在、ミリ波とサブミリ波帯、つまり事象の地平線望遠鏡が成熟しています。世界中のさまざまなサブミリ波およびミリ波望遠鏡を使用して、数万キロメートルの口径を持つアレイを形成していることは注目に値します。

この写真は、2019年に撮影されたM87の写真と非常によく似ています。どちらも、世界中の8つの異なるミリ波望遠鏡、略して事象の地平線望遠鏡を使用して撮影されました。

この巨大な望遠鏡の組み合わせは、チリの ALMA (アタカマ大型ミリ波サブメートル干渉計)、南極の SPT (南極点望遠鏡)、米国ハワイの SMA (サブミリ波干渉計)、メキシコの LMT (大型ミリ波干渉計)、米国ハワイの JCMT (ジェームズ・クラーク・マクスウェル望遠鏡)、スペインの IRAM (IRAM 30 メートル望遠鏡)、チリの APEX (アタカマ・パスファインダー実験)、米国アリゾナの SMT (サブミリ波望遠鏡) です。

なお、米国ハワイにあるJCMT望遠鏡は中国が参加して運用されている望遠鏡であり、多くの中国科学者がここで観測を行っていたはずだ。残念ながら、赤外線観測で達成できる最大直径は、現在のところ数百メートルです。例えば、ヨーロッパ南天天文台のVLT/重力は直径130メートルまで観測できますが、それでも数キロメートルの口径レベルとは大きな差があります。将来的には赤外線帯域を使ってブラックホールの写真を見ることができるようになることを期待しています。

この写真は、ミリ波からガンマ線まで、上から下に向かってエネルギーが増加しているさまざまな波長の天の川を示しています。

天の川銀河のブラックホールの質量は太陽の約400万倍に過ぎないことが分かっています（2020年のノーベル賞の結果によると）が、M87のブラックホールの質量は太陽の65億倍に達します。前者は後者の1,650倍小さい。

大きさで言えば、天の川銀河の中心にあるブラックホールの方が明らかに少し小さいのですが、天の川銀河の中心にあるブラックホールを撮影するのはより困難です。これは、天の川銀河の中心にあるブラックホールの質量がM87よりもはるかに小さく、距離もはるかに近いため、周囲の物質に変化が生じる可能性がはるかに大きいためです。

M87のブラックホールの観測と比較すると、もともと数日かかっていた変化が数分以内に起こるようになり、観測が難しくなっています。たとえば、この画像では、科学者たちは、Sgr A* のガスを特に考慮した新しい高度なツールを開発しました。

質問3: M87銀河の中心にあるブラックホールの写真と比べて、どのような違いがあり、どのような新しい情報がありますか?

個別の観測は非常に難しいため、今回観測された天の川銀河中心のブラックホール（いて座A*）の写真は、研究チームが時間をかけてさまざまな写真を抽出し、平均化して得られたものです。

銀河系の中心に隠されたブラックホールの写真がついに公開されたのも今回が初めてだ。

最後の写真の撮影時期を思い出すことができます。私たちは 2017 年に写真を撮り始め、2019 年に M87 の中心にあるブラックホールの写真を撮りました。

しかし、科学者がスーパーコンピュータを使用してデータを合成・分析し、ブラックホールのシミュレーションデータベースを観測結果と厳密に比較して、天の川銀河の中心にあるブラックホールの写真を初めて見ることができたのは、それから5年後のことでした。科学者たちの知恵と努力のおかげで、前例のない写真を見ることができます!

質問 4: 天の川銀河の中心にあるブラックホールは、天の川銀河の 0.0005% 未満を占めています。なぜ何千億もの星を結びつけることができるのでしょうか?

天の川銀河の構造を見ると、銀河核（ブラックホールを含む）、銀河円盤、銀河ハローの3つの部分に分けられます。質量で言えば、天の川銀河の中心にある巨大なブラックホールの質量は、天の川銀河の質量の 0.0005% 未満です。そして、天の川銀河の中心核から見ると、天の川銀河のブラックホールは銀河核の一部にすぎません。

では、天の川銀河の何千億もの星を限られた範囲内に固定しているのは、どのような力なのでしょうか?目に見える物質はすべてどのようにして集まったのでしょうか?

実際、この疑問は前世紀の初めに提起されました。

天体物理学者フリッツ・ツビッキーは、かみのけ座銀河団の星を測定し、暗黒物質の存在を発見しました。ズウィッキーの性格がすべての人に好かれていたわけではないため、この概念が正しいにもかかわらず、すべての人に真剣に受け止められたわけではありません。

1970 年になって初めて、若きベリン・ルービンと彼女の指導者ケント・フォードはアンドロメダ銀河の星の回転速度を研究しました。高精度のスペクトル測定技術を使用することで、銀河中心領域から遠く離れた銀河を周回する外縁星の速度と距離の関係を検出することができます。ニュートンの法則によれば、銀河の質量が主に銀河の中心にある目に見える星に集中している場合、銀河の外周にある星の速度は距離とともに低下します。

しかし、観測によれば、かなり広い範囲にわたって、銀河の外縁部の星の速度は一定であることがわかっています。これは、銀河系内に大量の目に見えない物質が存在する可能性があり、その物質は銀河系の中心領域に分布しているだけでなく、その質量は明るい星の総質量よりもはるかに大きいことを意味します。

現在では、目に見えない物質（暗黒物質）の質量は目に見える質量の約 10 倍重いことがわかっており、これはほぼすべての銀河に当てはまります。

これは前の質問に対する答えです。私たちの天の川銀河の中心にあるブラックホールは質量が非常に小さいですが、暗黒物質の助けを借りて、何千億もの星を結合することができます。

質問5: 研究のためにこの写真を撮ることの意義は何ですか?

記者会見前、天の川銀河の中心にあるブラックホールの写真と聞いて、映画「インターステラー」のようなブラックホールが見られるのではないかと期待した人も多いかもしれないが、結果はそうではなかった。

私たちが見ているのはブラックホールに非常に近い部分だからです。もしそれが比較的遠い場所であれば、映画「インターステラー」のような光景が見られるでしょう。

いずれにせよ、この写真は私たちの銀河のブラックホールを撮影したもので、撮影がはるかに難しいため、M87 の以前の写真よりも親密な写真となっています。

天の川銀河の中心にあるブラックホールがどのようなものか垣間見る機会を与えてくれたこの研究に参加したすべての科学者と中国の科学者に改めて感謝します。天文学の探究は決して止まりません！

制作：中国科学普及協会

著者: 郭立軍、中国科学院国立天文台

プロデューサー: 中国科学博覧会

この記事は、科学普及中国フロンティアテクノロジープロジェクトによって作成されました。転載の際は出典を「中国科学普及」と明記してください。