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Video: 私たちの天の川銀河の中心には何があるの What is in the center of the our Milky Way galaxy
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天の川 銀河 ブラック ホール, 2021-04-22, 私たちの天の川銀河の中心には何があるの What is in the center of the our Milky Way galaxy, Enjoy “What is in the center of the our Milky Way galaxy ” video!
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脚注
[1] 2017年4月の観測に使用された望遠鏡は、アルマ望遠鏡（チリ）、APEX（チリ）、IRAM30m望遠鏡（スペイン）、ジェームズ・クラーク・マクスウェル望遠鏡（米国ハワイ）、アルフォンソ・セラノ大型ミリ波望遠鏡（メキシコ）、サブミリ波干渉計（米国ハワイ）、サブミリ波望遠鏡（米国アリゾナ）、南極点望遠鏡（南極）です。その後、グリーンランド望遠鏡（グリーンランド）、NOEMA観測所（フランス）、アリゾナ大学キットピーク12m望遠鏡（米国アリゾナ）がEHTの観測網に加わっています。
アルマ望遠鏡は、欧州南天天文台、アメリカ国立科学財団、日本の自然科学研究機構が、カナダ国立研究機関、台湾科学技術省、台湾中央研究院天文及天文物理学研究所、韓国天文宇宙科学研究院とチリ共和国の協力で運用しています。合同アルマ観測所は欧州南天天文台、アメリカ北東部大学連合/アメリカ国立電波天文台、日本の国立天文台によって運用されています。APEXはドイツ・マックスプランク電波天文学研究所、スウェーデン・オンサラ天文台、欧州南天天文台が協力し、欧州南天天文台が運用しています。IRAM 30m望遠鏡は、ドイツ・マックスプランク協会とフランス国立科学研究センター、スペイン国立地理研究所が共同で運用しています。ジェームズ・クラーク・マクスウェル望遠鏡は、中国科学院のCAMS、日本の国立天文台、台湾中央研究院天文及天文物理学研究所、韓国天文宇宙科学研究院、タイ国立天文学研究所、及びイギリスとカナダの組織で構成される東アジア天文台が運用しています。大型ミリ波望遠鏡はメキシコINAOEとマサチューセッツ大学が運用しています。サブミリ波干渉計は、スミソニアン天文台と台湾中央研究院天文及天文物理学研究所が共同で運用しています。サブミリ波望遠鏡は、アリゾナ大学が運用しています。南極点望遠鏡はシカゴ大学が運用しており、イベント・ホライズン・テレスコープのための装置はアリゾナ大学から提供されました。
グリーンランド望遠鏡は台湾中央研究院天文及天文物理学研究所とスミソニアン天文台によって運用されています。グリーンランド望遠鏡はALMA-台湾プロジェクトの一部であり、一部に台湾中央研究院と台湾科学技術省の支援を受けています。NOEMA観測所はドイツ・マックスプランク協会とフランス国立科学研究センター、スペイン国立地理研究所が共同で運用しており、キットピーク12m望遠鏡はアリゾナ大学により運用されています。
[2] ブラックホールは天体の大きさ（半径）が質量に比例する、知りうる限り唯一の天体です。質量が1000分の1になると、半径も1000分の1になります。いて座AスターはM87の約1000分の1の質量なので、リングサイズもおよそ1000分の1となります。一方で地球からいて座A*の距離はM87よりもおよそ1000分の1近いので、見た目のサイズは約1000倍大きくなります。よって両効果（ブラックホールの重さ、天体までの距離）が互いに打ち消し合い、ほぼ同じ見た目のリングサイズとなります。
研究の背景
ブラックホールは、アインシュタインの一般相対性理論で予言された、非常に強い重力を持った天体です。2019年4月にイベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）・コラボレーションが、楕円銀河 M87 の中心にある巨大ブラックホールを撮影した成果を発表しました。この画像の中心にある暗い部分がブラックホールシャドウ（※1）と呼ばれ、ブラックホールによって光が脱出できない現象を捉えた確かな証拠となりました（詳しくはこちらをご覧ください）。
[図2] 2019年に公開されたM87銀河の中心にあるブラックホールシャドウの画像。ブラックホールの強い重力場に影響を受けて渦巻いている熱いガスが明るく輝いている。（クレジット：EHT Collaboration）
M87と同様に、宇宙にある多くの銀河の中心には巨大ブラックホールが存在すると考えられています。一部のブラックホールの周辺には、ブラックホールに吸い込まれつつあるガス（降着ガス）で形成される降着流（※2）や、ブラックホールの重力に逆らって光速に近い速さで銀河の外へと噴出するジェット（※3）と呼ばれるプラズマ流が存在します。これらの現象がブラックホールのごく近傍でどのように見えるのか、どのような物理的メカニズムが働いてこのような現象が起こっているのかを解明することは、ブラックホール研究の重要なテーマです。
いて座A*（エースター）は、私たちの住む天の川銀河の中心にある天体です。2020年にノーベル物理学賞を受賞したゲンツェル氏とゲズ氏それぞれの研究チームが明らかにしたように、いて座A*がとても高密度でコンパクトな天体であることはこれまでも知られていました。その質量は、太陽の400万倍と見積もられており、地球からの距離は2万7000光年であるため、ブラックホールであると仮定して一般相対性理論に基づいて計算すると、シャドウの見た目の大きさは約50マイクロ秒角（※4）と見積もることができます。
[図3] 天の川銀河の想像図 （左） と天の川銀河中心領域のX線（青）と電波（ピンク）の合成画像（右）。右画像の中心にある電波源がいて座A*。（左画像のクレジット：NASA/JPL-Caltech/ESO/R. Hurt、右画像のクレジット：X-ray: NASA/CXC/UCLA/Z.Li et al; Radio: NRAO/VLA）
イベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）は波長の短いミリ波帯（1.3mm）を用いて、地球直径に匹敵する1万kmもの基線長でVLBI（※5）観測を行います。これにより、地上の観測装置の中では最高の視力である300万（解像度にすれば約20マイクロ秒角）を達成します。2017年の観測には、APEX（チリ）、アルマ望遠鏡（チリ）、IRAM30m望遠鏡（スペイン）、ジェームズ・クラーク・マクスウェル望遠鏡（米国ハワイ）、大型ミリ波望遠鏡（メキシコ）、サブミリ波干渉計（米国ハワイ）、サブミリ波望遠鏡（米国アリゾナ）、南極点望遠鏡（南極） の8局が参加しました。
[図4] 2017年4月に行われたEHTの観測に参加した望遠鏡の配置。（クレジット: NRAO/AUI/NSF）
いて座A*の画像からわかったこと
いて座A*の姿は、中心が暗く、周囲が明るい、ドーナツのようなリング状をしている。
ブラックホールは光を放たない完全に漆黒の天体なので、そのものを見たり撮影したりすることはできない。そのため、ブラックホールの周囲でガスが放射する電波による明るいリング状の構造と、それに縁取られた、光も何もかもを吸い込んで何も見えない中心の暗い領域「ブラックホール・シャドウ」によって、“存在”として映し出されている。
この画像から、研究者は多くのことを見出している。その成果は6編の主論文と4編の公認論文として、論文誌『アストロフィジカル・ジャーナル・レターズ』に掲載された。
まず、なによりも大きなのは、天の川銀河の中心に、たしかに巨大ブラックホールが存在することがわかったということである。
前述のように、これまでの研究では、いて座A*の周囲の恒星の運動から、いて座A*に非常に重くコンパクトな天体の質量があることはわかっており、2020年のノーベル物理学賞にも輝いたが、その天体がブラックホールかどうかはわかっていなかった。しかし今回の観測成功で、天の川銀河の中心に巨大ブラックホールがあることを、視覚的かつ直接的に証明したことになる。
また、得られた画像からはこのブラックホールについてさまざまなことがわかった。このブラックホールが無回転のときの事象の地平面の半径(シュバルツシルト半径)は、見た目の角度で9.6マイクロ秒角(1秒角は3600分の1度、1マイクロ秒角はさらにその100万分の1)と判明。地球からいて座A*のブラックホールまでの距離は約2万7000光年離れていることと合わせ、いて座A*のブラックホールのシュバルツシルト半径は約1200万kmであることがわかった。
1200万kmは太陽の直径の約8.5倍、地球と月の距離の約31倍に相当し、光の速さで40秒かかる距離である。ブラックホールはよく「コンパクトながら大質量の天体」と紹介される一方で、こうした銀河中心にあるブラックホールが”巨大”と呼ばれる理由がよくわかる。
また、今回の観測から見積もられたブラックホールの質量は、太陽の約400万倍とされ、これは前述したこれまでの恒星の運動の研究から見積もられていた値とも一致している。
さらに、リングの大きさがアインシュタインの一般相対性理論の予言と非常によく一致しており、この天体がブラックホールであることに矛盾はないという。
研究チームは「いて座A*の画像から得られた事象の地平面の視半径は、ほぼケプラーの法則にしたがって楕円軌道を描いている星たち(事象の地平面の半径の1000倍から10万倍の距離に観測されたもの)から予想されたものと矛盾しませんでした。リングの中央は最も明るいピークから30％暗く、事象の地平面の性質から示される特徴と合致していて、事象の地平面の存在が支持されています。この結果、ブラックホール以外の天体として考えられる天体のいくつかは排除されました。たとえば、『裸の特異点』や『ボゾン星』として提案されているいくつかの理論モデルです」と語る。
ただ、「それでも、いくつかの天体の理論モデルにはブラックホールと同様、中央の暗い画像と似た特徴をもつものがあります」とし、ブラックホールではない可能性に含みも持たせている。こうした「確からしい」ということは、科学の、とくに新しい発見などにおける当然の態度であり、こうした「確からしい」の積み重ねが科学を作ってきた。それは、こうしてはっきりとした画像が得られてもなお、変わることはない。
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EHTが撮影したいて座A* (C) EHT Collaboration
一方、同時期に撮影され、そして先に画像が公開されたM87の中心にある巨大ブラックホールとの比較も興味深い。
M87の巨大ブラックホールの質量は、太陽の約65億倍、いて座A*は約400万倍と、約1500倍も違う。
研究チームのひとり、東京大学大学院の小藤由太郎氏は「同じ銀河中心のブラックホールと言えども、いて座A*とM87中心のブラックホールとは、性質はまったく異なります。いて座A*は、この種のブラックホールの中では最軽量です。一方、M87の巨大ブラックホールは最大級のものです」と語る。
「EHTによって、太陽の数百万倍から数十億倍の質量の、つまり巨大ブラックホールの中で最軽量のものから最大級のものまでの存在が証明できたことが大きいです」。
これほど質量に違いがあるにもかかわらず、ともに明るいリング状の特徴をもったドーナツのような形をしており、素人目で見てもとてもよく似ている。
じつは、これもアインシュタインの一般相対性理論と一致している。アインシュタインは「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」と予言しており、両者で同じドーナツのような画像が得られたということは、まさにその予言どおりであることが証明されたのである。
ついに撮影されたいて座A*。今後、研究の積み重ねや、EHTの性能向上、それによるさらなる研究の進展により、いて座A*について、またM87中心のブラックホールをはじめとする他のブラックホールについて、さらにそれぞれの比較を通じて、これからより多くのことがわかっていくだろう。
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いて座A*(左)とM87(右)の画像比較。上側のリングはEHTで得られたブラックホール近傍画像。下側の画像は東アジアVLBI観測網(EAVN)で得られたブラックホール遠方画像。ブラックホール遠方画像において、M87では強力なジェットが見られるのに対し、いて座A*ではジェットの明確な証拠は得られていない。その一方でEHTで得られたリング画像はお互いとてもよく似ている (C) EHT Collaboration(EHT画像)、EAVN Collaboration(EAVN画像)
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解説する東京大学大学院の小藤由太郎氏
(次回に続く)
Q. 先生はX線天文学を専門とされていますが、X線天文に惹かれた理由は何でしょうか？
X線で見た天の川銀河の中心。中心から右上と左方向に広がるガスが赤く見える。赤は低エネルギー、青は高いエネルギーを示す。（提供：NASA/CXC/MIT/F.K.Baganoff et al.）
X線は人間の目には見えない光です。その光が、可視光で見られない天文現象をいろいろ見せてくれるのに惹かれました。X線は多くの情報を提供してくれますが、その情報が宇宙の大部分に関係するのもいいですね。可視光を出す星はとても美しく、宇宙の大事な構成要素でもありますが、宇宙全体を知るには星以外も見ないと分かりません。いろいろな波長で、いろいろな宇宙の姿を見ることが必要だと思いますが、私の場合はエネルギーが高い現象に興味がありましたので、X線がぴったり合ったという感じです。
Q. X線はブラックホールの観測に適しているのでしょうか？
ブラックホールの近傍は非常にエネルギーが高いため、X線で観測するとよく見えます。特に暗いブラックホールは、X線でしか見つからないと思います。一方、明るいブラックホールは、可視光や赤外線、電波など他の波長でも見ることができますので、それらを組み合わせて観測することも重要だと思います。
Q. そもそもブラックホールとは何でしょうか？
四角内は、銀河NGC 7793の外縁部にある、超新星爆発で形成されたブラックホール。（提供：X-ray（NASA/CXC/Univ of Strasbourg/M. Pakull et al）; Optical（ESO/VLT/Univ of Strasbourg/M. Pakull et al）; H-alpha（NOAO/AURA/NSF/CTIO 1.5m））
（左上）ニュートン衛星が観測したおとめ座銀河団。（右上）左上の写真からブラックホールのジェットを抽出したもの。（下）電波による観測画像に、X線で見えるジェットを白で示した画像。左方と下方にのびる2本の電波ジェットと、X線で見えるジェットが一致している。（提供：E. Belsole, Service d’Astrophysique, CEA Saclay, France）
ブラックホールとは、密度が非常に高く、強力な重力場を持つ天体です。光でさえもその重力場から出てくることできないので、ブラックホール自身は光を出しません。ですから直接観測はできませんが、ブラックホールに吸い込まれるガスが超高温になり、X線などのエネルギーを放出して明るく輝きますので、それがブラックホールの存在を教えてくれます。全てではありませんが、ほとんどの銀河の中心にブラックホールが存在します。
これまでの観測により、2種類のブラックホールの存在が知られています。1つ目は、超新星爆発の後にできるブラックホールです。太陽の30倍以上の大質量の星が、その一生を終えるときに超新星爆発を起こすと、中心部が自己重力に耐えられず、極限まで収縮してブラックホールになります。この時のブラックホールは太陽の10倍程度の質量です。
2つ目は、太陽の百万倍〜数億倍以上の質量がある巨大ブラックホールです。この巨大ブラックホールについては、どのようにできるのかは今もまだ謎です。
Q. 先生が専門とされる研究は何でしょうか？ 代表的な研究成果を教えてください。
私の主な研究テーマは銀河や銀河団の形成史で、それに関連して銀河の中心にあるブラックホールを研究しています。これまでの成果としては、ヨーロッパのX線天文衛星「ニュートン」による、おとめ座銀河団の研究があります。この銀河団の真ん中には銀河M87という大きな銀河があり、その中央に太陽の質量の約1億倍もある巨大ブラックホールが存在します。このブラックホールから、非常に高いエネルギーのガスが噴き出しているのをとらえました。ブラックホールというのは、その強力な重力で周囲のものを何でも吸い込みますが、それと同時に、非常に高いエネルギーを周りに供給しているのです。
一方、銀河団の中心部はガスの密度が濃いため、X線の放射が強くエネルギーを放出しています。普通は、エネルギーを放出し続けると次第にエネルギーを失い、ガスが冷えて温度も低くなるはずなんですが、銀河団の中心部ではX線の放射が続いています。そのためには何か熱を与えるものが必要ですが、その候補の1つが、質量の重いブラックホールです。銀河の中心にある巨大ブラックホールがエネルギーを放出し、周囲のガスを温めていると考えられています。それを裏付けるような成果になったと思います。
Q. ブラックホールが銀河形成にどう影響していると考えられていますか？
ブラックホールの想像図（提供：ESA/NASA/AVO/Paolo Padovani）
矢印は、天の川銀河の近くにある矮小銀河Henize2-10にある、超大質量のブラックホール。銀河の総質量と比較して、ブラックホールの質量が大きい。（提供：X-ray (NASA/CXC/Virginia/A.Reines et al); Radio (NRAO/AUI/NSF); Optical (NASA/STScI)）
銀河の形はその多くが中央が膨らんだ円盤型をしていますが、その中心部の膨らみを「バルジ」と言います。いくつかの銀河を対象に、巨大ブラックホールの質量とその母銀河のバルジの質量を測定した結果、この2つが比例関係にあることが分かりました。これは、巨大ブラックホールの形成と銀河の形成が密接に関係していることを意味します。おそらく銀河と巨大ブラックホールは一緒に成長していったと思われます。
考えられるシナリオはこうです。宇宙の大きさが今の半分か3分の1くらいだった100億年くらい前に、巨大なブラックホールはまだ成長過程でした。そのどこかのタイミングで、ブラックホールはとても活発になり、高いエネルギーを放出して、星の形成を促しました。星がどんどんできれば銀河も大きくなっていきます。ブラックホールが成長すると同時に銀河も成長していったのです。また、ブラックホールの成長につれて吹き出す高エネルギーのジェットが、星の材料となるガスを吹き飛ばすこともあったかもしれません。詳しいメカニズムはまだ分かっていませんが、銀河と巨大ブラックホールの共進化が考えられています。
Q. ブラックホールと銀河はどちらが先にできたのでしょうか？
それは「ニワトリが先か卵が先か？」と同じような議論ですね。ブラックホールと銀河はどちらが先にできたかまだ分かっていません。最近の観測で初期の小さな銀河に、超大質量のブラックホールが発見されました。これは先ほどお話したブラックホールと銀河の質量の相関関係から見ると、銀河の大きさに比べてブラックホールが大きすぎるんですね。また、その銀河の内部で星が活発に形成されていることも分かっています。ですから、ブラックホールの方が先だと考える人がいるかもしれませんが、1つの銀河を調べただけでは結論を出せません。ブラックホールがない、あるいは検出されていない銀河もありますからね。また星と星、あるいは銀河と銀河が合体してブラックホールができた可能性も考えられますので、この議論はまだ当分の間続きそうです。
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