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Video: Star☆T 20180714@豊田スタジアム

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いて 座 a スター, 2018-07-14, Star☆T 20180714@豊田スタジアム, 豊スタおいでん夏まつり2018
出演メンバー/上戸愛、伊勢実恩、萩野陽向子、朝空詩珠紅、misola、牧野凪紗、嶋﨑友莉亜

01:11 おいでん2015 
05:15 2021 
10:44 コングラチュレーション~希望の鐘の音~ 
14:55 Start&Smile, 名古屋アイドル学院

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■“見えない”ブラックホールをどうやって捉えたのか

「黒い穴」を意味する「ブラックホール(英:black hole)」の周囲では時空間が大きく歪み、ある程度まで近づくと秒速約30万kmの光(電磁波)でも脱出できないと考えられています。光がブラックホールから脱出できる限界の距離は「シュバルツシルト半径」、シュバルツシルト半径で描かれた仮想の球体は「事象の地平面」や「事象の地平線」(event horizon:イベント・ホライズン)と呼ばれています。

【▲ ブラックホールとその周辺を示した図(Credit: ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser/N. Bartmann)】

直接見ることはできない天体であるブラックホールを観測するために、EHTはその周囲にあるガスを利用しています。

ブラックホールの強い重力に引き寄せられたガスなどの物質は真っ直ぐ落下するのではなく、高速で周回しながららせん状に落下していくため、ブラックホールの周囲には「降着円盤」と呼ばれる構造が形成されます。降着円盤からは可視光線・X線・電波といった、様々な波長の電磁波が放射されています。

電磁波の一部はそのまま地球へ向かってきますが、なかにはブラックホールの強い重力の作用によって進む向きを曲げられてから地球へ向かってくるものもあります。この電磁波を電波望遠鏡で捉えることで、EHTはブラックホールのシャドウを縁取る光のリングを捉えることに成功しました。

【▲ 上:ブラックホール周辺を移動する光の進む向き示した図(最終的に右へ向かう光を強調したもの)。下:ブラックホール周辺から地球に向かってくる光を示した図。円で示された範囲の内側は光が来ないため、シャドウが描き出される(Credit: Nicolle R. Fuller/NSF)】

EHTによるブラックホールの撮影成功は、今回の「いて座A*」が2例目となります。初の成功例は「おとめ座」の方向約5500万光年先にある楕円銀河「M87(Messier 87)」の中心に位置する超大質量ブラックホール「M87*」で、2019年4月10日に画像が公開されました。

次の画像は、EHTが撮影した「M87*」(左)と「いて座A*」(右)を比較したものです。「M87*」の質量は「いて座A*」の約1600倍(太陽の約65億倍)と推定されていますが、どちらも輝くリングにシャドウが縁取られた、よく似た姿をしています。

【▲ 2019年4月に公開された「M87*」の画像(左)と、今回公開された「いて座A*」の画像(Credit: EHT Collaboration)】

EHTによると、相対性理論では「どんな質量のブラックホールでも光のリングが観測される」と予言されているといいます。また、「M87*」と「いて座A*」は両方とも地球からは回転軸付近が見えているとみられており、このことも比較的整った光のリングが捉えられた理由のようです。

ちなみに、ブラックホールは質量と直径が比例する天体であるため、質量が2倍なら直径は2倍、質量が100倍なら直径は100倍になります。質量が1600倍も違う「M87*」は、実際には「いて座A*」よりもはるかに大きなブラックホールです。ところが、「いて座A*」の光のリングは「M87*」のリングと見かけ上の大きさがほとんど同じで、わずかに大きく見えるといいます。

【▲ 「いて座A*(Sgr A*)」と「M87*」のサイズ比較(動画)】
「いて座A*」と同じ距離まで近付くにつれて「M87*」の見かけの大きさはどんどん大きくなっていく
(Credit: ESO/M. Kornmesser, EHT Collaboration)

その理由は地球からの距離にあります。「いて座A*」は地球から約2万7000光年離れていますが、「M87*」は2000倍以上も遠い約5500万光年先にあります。そのため、小さくて近い「いて座A*」と大きくて遠い「M87*」の光のリングは、見かけ上たまたま同じくらいの大きさに見えているというわけです。とはいえ、2つのブラックホールを取り囲むリングの見かけの大きさは、月面に置いたドーナツ(直径8cm)を地球から見るのと同じくらいしかないといいます。

地球からはあまりにも小さく見える「いて座A*」の画像を得るために、EHTはチリの電波望遠鏡群「アルマ望遠鏡(ALMA)」をはじめ、世界8か所にある電波望遠鏡を結んだネットワークを形成。複数の電波望遠鏡を1つの巨大な仮想の電波望遠鏡として機能させる観測手法「超長基線電波干渉計(VLBI)」を利用し、何時間もかけて「いて座A*」の観測データを取得しています。

【▲ 2017年4月の観測に参加した電波望遠鏡の位置を示した図(Credit: NRAO/AUI/NSF)】

詳細については、次の URL をご覧ください。……

観測とその歴史[編集]

地球といて座A*との間は、塵とガスによる星間減光が25等級にも及ぶため、可視光による分光観測が難しい[7]。そのため、観測は主に赤外線電波X線で行われている。

いて座A*は、他にはない相対性理論の格好の実験場とも考えられる。相対性理論が予測する現象と観測との間で相違が発見されるかもしれないし、予測と観測が一致すれば相対性理論を補強する結果となる[8]

電波[編集]

事象の地平線望遠鏡とグローバルミリ波VLBIアレイに参加する電波望遠鏡群。出典: ESO / O. Furtak

いて座辺りの銀河系中心方向から電波が放射されていることは、ジャンスキーが初めて明らかにした[9]1974年2月に、アメリカ国立電波天文台の電波干渉計でその領域が観測され、いて座A*が発見された[10]。「いて座A* (Sgr A*)」という名称が定着する前には「GCCRS (the galactic center compact radio source)」や「Sgr A(cn)」(cnはcompact non-thermalの略)などとも呼ばれていた[11]。Sgr A*という名称は、1982年にこの電波源の周囲にジェットのような構造を発見した報告の中で、初めて用いられた[12][11]。発見者の一人ロバート・L・ブラウンは、この電波源が「興奮させる (exciting)」ものであったこと、そして原子物理学でいう「励起状態 (excited states)」にある原子には「*」が付されて表記されることから、「Sgr A*」という表記を思い付いた、としている[11]

電波の波長域で超長基線電波干渉法(VLBI)の技術を使用することで、いて座A*の画像を得ることが試みられている。現在、最も高い空間分解能の観測は、波長1.3mmで行われ、電波源の大きさは角度で37マイクロ秒と求められている[13]。この大きさは、天体までの距離を2万6000光年とすると、直径4400万kmに相当する。太陽系の大きさと比較すると、太陽から地球までの距離が約1億5000万km(1天文単位)、惑星の中で太陽に最も近い水星までの距離が約4600万kmとなる。また、いて座A*の固有運動も調べられ、赤経が1年あたり-2.7ミリ秒、赤緯が1年あたり-5.60ミリ秒と見積もられている[14]

VLBIの手法を用い、世界各地の電波望遠鏡を結んだ地球サイズの電波望遠鏡で、いて座A*のブラックホールの姿を画像として直接とらえる計画も進んでいる。2017年4月、事象の地平線望遠鏡(EHT)、グローバルミリ波VLBIアレイ(GMVA)による観測が行われた[15]

赤外線[編集]

銀河系中心のいて座A*とGCIRS 13E(IRS 13)

赤外線では主に、いて座A*の周囲に存在する恒星や、高温のガス雲の観測が行われている。特に、1992年から続く、恒星の運動速度と、いて座A*との位置関係の測定によって、いて座A*の質量が見積もられ、いて座A*が超大質量ブラックホールである証拠が蓄積されている(詳細は、中心ブラックホール節を参照)。

2004年、いて座A*からおよそ3光年の距離を公転する天体GCIRS 13Eの中に、中間質量ブラックホール候補が発見された[16]。GCIRS 13Eは7つの恒星からなる星団で、その中に太陽の1,300倍の質量を持つブラックホールがあると予想されている。GCIRS 13Eの存在は、超大質量ブラックホールが周辺のブラックホールや恒星を吸収することで、ここまで大質量に成長したという仮説の裏付けとなる可能性がある。

いて座A*周囲の降着円盤と発光するガスの想像図[17]。出典: ESO / L. Calçada

また、近赤外線で超大質量ブラックホール本体付近で発生した爆発現象が観測されている。2008年VLTによる観測で、いて座A*からの近赤外線放射が急激に増大したことが発表された[17]サブミリ波との同時観測から、この増光現象は、ブラックホールへ向かって降着しつつあるガス塊が引き伸ばされて崩壊し、加熱したことによる放射と推測されている。

X線[編集]

2012年、X線観測衛星NuSTARによる観測で、高エネルギーX線でいて座A*付近の詳細を初めてとらえ、ブラックホール近傍にある高温の物質から放射されるX線の強度が変化する爆発現象を検出した[18]。最大強度の時、ブラックホール近傍の物質の温度は、1億Kに達したと考えられる。

いて座A*から非常に明るいX線フレアが検出された。

いて座A*周囲に無数に存在する小惑星の想像図。出典: NASA / CXC / M. Weiss

2015年1月5日チャンドラX線観測衛星が、いて座A*から平常時の400倍もの強度があるX線の爆発的増光を検出した、と発表された[19][20]。この特異な現象の発生原理については、2つの仮説が考えられている。1つは、小惑星がブラックホールに飲み込まれる際の爆発である、というもの。ブラックホールに接近し、潮汐力で崩壊した小惑星が、ブラックホールの周りをしばらく周回し、飲み込まれる際に、ブラックホールの周りのガスと衝突し、流星のように発光するというもの。もう1つの仮説は、いて座A*へ落ち込むガス中の磁力線が、太陽フレアの発生機構と考えられている磁気リコネクションを起こして爆発した、というものである。

詳細については、次の URL をご覧ください。……

天の川銀河の中心 いて座Aスターの肖像 - 日経サイエンス

どうして「いて座A*」ってよばれるの?

わたしたちを照らす太陽は、天の川銀河にある数千億個の星の一つです。天の川銀河の中心には、強い電波を出している天体があります。この天体が位置する星座にちなんで、「いて座A *(エー・スター)」とよばれています。これまでの数十年にわたる研究によって、いて座A *は太陽の400万倍の重さをほこる、超巨大ブラックホールであることが明らかになりました。天文学者たちは、赤外線望遠鏡を使って、この見えないブラックホールのまわりを周回する巨大な星々を見つけました。そして今回、アルマ望遠鏡は、このブラックホールのまわりで回転する「低温の」水素ガスのリングも発見したのです。

だれが調べたの?

アルマ望遠鏡による天の川銀河のブラックホール研究は、アメリカのプリンストン高等研究所のエレナ・ムルチコバさんによって行われました。エレナさんは、この研究のために、カリフォルニア工科大学のスタール・フィニーさん、ハーバード・スミソニアン天体物理学センターのアンナ・パンコーストさん、スタンフォード大学のロジャー・ブランドフォードさんたちとチームを組みました。4人の天文学者は、2019年6月5日に科学雑誌「ネイチャー」に結果を発表しました。

英語ニュースはこちらへ

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特集:ブラックホールの中をのぞく

S. フレッチャー(SCIENTIFIC AMERICAN編集部)

天の川の中心部奥深くで,奇妙なことが起こっている。何もないように見える空間の周りを,星々が光速の数%という超高速で動き回っているのだ。この星の動きを説明できるのは超大質量ブラックホールだけだと考えられてきたが,今年までそれを公然と言うことははばかられた。例えば天文学者のゲンツェル(Reinhard Genzel)とゲズ(Andrea Ghez)が共同受賞した2020年のノーベル物理学賞の授賞理由は「天の川銀河中心にある超大質量コンパクト天体の発見」であり,「ブラックホール」の発見ではなかった。このコンパクト天体は「いて座A*」(いて座Aスター)と呼ばれている。

だが今年の春,イベント・ホライズン・テレスコープ(EHT)の天文学者チームが天の川銀河中心にある超大質量ブラックホールの初の画像を発表し,この問題は決着した。同チームがとらえたブラックホールの画像はこれが初めてではない。第一号は2019年4月に発表したM87*の画像だった。しかし彼らが最も望んでいたのは今回の画像だ。いて座A*はほかならぬ私たちの銀河にあるブラックホールであり,私たちの銀河がその周りを回っている静止点なのだ。

ブラックホールは光を含めそこに落下するすべてを捕らえるので,本質的に見ることができない。だが周囲の時空をひどく歪めるため,重力で引き裂かれて落下してくる物質の流れが発する光に照らされると,ブラックホールの“影”ができる。ブラックホールシャドウと呼ばれるこの影の大きさは,ブラックホールの「事象の地平」(そこを通過すると何物も戻ってこられない時空の境界)の約2.5倍となる。

EHTはこのブラックホールシャドウを超長基線電波干渉法(VLBI)という手法を用いて撮影した。複数の大陸にある電波望遠鏡を組み合わせ,実質的に地球サイズの望遠鏡を構築する技法だ。EHTは天文学史上で最高の分解能を持つ。チームは2017年4月,この仮想的装置を数夜にわたって,いて座A*などの超大質量ブラックホールに向けた。その生データを数年がかりで解析し,1枚の画像に変換した。

続き日経サイエンス2022年12月号

著者

Seth Fletcher

原題名

Portrait of a Black Hole(SCIENTIFIC AMERICAN September 2022)

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