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兵庫県立大学西はりま天文台

− NISHI HARIMA ASTRONOMICAL OBSERVATORY −

The First Ever Real Picture of A Black Hole

2019年4月10日 ブラックホールの「姿」の撮影に成功!

※画像はクリックすると大きくなります


      ブラックホールの「姿」が明らかに!

          日本時間2019年4月10日22時、ブラックホールの輪郭を撮影することに世界で初めて成功したと日本を含む
          国際研究グループが発表しました。
          公開された写真には、中央が円形に黒く抜け落ちて光るリングのような姿が写っています。
          光るリング状の構造は、ブラックホールの周囲のガスや塵が出す電波になります。すなわち、
          ブラックホール周辺で電波で明るく輝くガスや塵の分布を表しています。
          円形に黒く抜け落ちている領域がブラックホールの「姿」になります。



人類が初めて目にするブラックホールの「姿」©EHT Collaboration



撮影されたブラックホールが存在する系外銀河M87
上のM87は「なゆた望遠鏡」で撮影しました。なゆた望遠鏡では見えませんが、このM87の中心に
太陽の65億倍もの質量を持つブラックホールが存在し、その「姿」が今回明らかになりました。



      ブラックホールとは?

          まず多くの人の誤解を解きたいと思います。ブラックホールは穴ではありません。れっきとした天体(物体)で、宇宙に存在します。
          また、重い天体ではなく、超高密度なため重力がものすごく強い天体になります。
          どのくらい高密度なのかというと、1立方cmあたりの重さが数億から百数十億トンになります。これは、アフリカゾウ
          1億頭を1個の角砂糖サイズの中へ押し込めることを意味します。



ゾウ1億頭を角砂糖サイズへ詰め込むような無茶が宇宙には存在します。それがブラックホールです。



      ブラックホールの大きさ

          ブラックホールの真の本体は、自身の強すぎる重力により、無限につぶれて点になっていると考えられています。
          では、便宜上のブラックホールの大きさとは何なんでしょうか。
          ブラックホールは重力がものすごく強く、光すら抜け出せない天体とよく言われます。しかしながら、天体の重力は
          その天体から離れるほど弱くなります(重力はその源からの距離の二乗に比例して弱くなる)。
          したがって、ブラックホールから一定の距離離れた所では、光はブラックホールに捕まらないので、そこを通る光や
          そこから出てくる光は我々まで届くことができます。
          まとめると、ブラックホールの真の本体から一定の範囲は光が抜け出せない領域となり、我々が見るとその領域が
          黒く抜け落ちた「穴」のように見えることになります。この光が抜け出せない黒く見える領域がブラックホールの
          便宜上の大きさとなります

          冒頭の写真で円形に黒く抜け落ちた領域こそ、ブラックホールの大きさそのものであり、「姿」なのです。



ブラックホールを間近で見た場合の想像図©ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser
ブラックホールは穴ではありません。想像図の通り、黒い球体のような見た目となります。
この黒い球体の半径がシュバルツシルト半径で、その内外を分ける境界を事象の地平線と呼びます。
シュバルツシルト半径より内側からは光がやってこないので見えない、すなわち黒くなります。


          ブラックホールの大きさは、シュバルツシルト半径で表すことができます。
          シュバルツシルト半径とは、ある質量を持つ物体をその重力が強くなるように高密度へと圧縮してゆき、
          光が抜け出せないほどの重力となったときの大きさ(半径)を意味します。
          前述で“1億頭のアフリカゾウを1個の角砂糖サイズへ押し込める”くだりがありましたが、まさに1億頭の
          アフリカゾウと同じ重さ(質量)を持つ物体のシュバルツシルト半径は角砂糖サイズであり、その物体は
          角砂糖サイズまで圧縮できれば、ブラックホールになることを意味します。
          シュバルツシルト半径の計算式によると、地球のシュバルツシルト半径は1cmになります。すなわち、
          地球全体を半径1cmの球へと押し込めることができれば、地球はブラックホールになります。
          ブラックホールと化した地球は、高密度ですが、重さ(質量)に変化はありません。このことからも
          ブラックホール=重い天体 とは限らないことが分かります。



     どうしてブラックホールを見ることができるのか?

          ブラックホールは、それ自体から光はやって来ないので、ブラックホール単体では見ることはできません。
          光が来ないので、ブラックホールそのものを写真で撮ることは不可能なことです。
          では、なぜブラックホールの「姿」を撮影することができたのでしょうか。
          もしも、ブラックホールの周りにガスや塵が存在し明るく光っていれば、ブラックホールはその影のように
          浮かび上がると考えられました。これを国際研究グループは、ブラックホールシャドウと呼んでいます。
          「シャドウ=影」と言いますが、一般的に言う影ではありません。ブラックホールシャドウは、ブラックホールの
          “鋳型”と考えた方がイメージしやすくなります。すなわち、今回撮影されたブラックホールの「姿」とは、
          ブラックホールそのものやブラックホールの影ではなく、ブラックホールの輪郭ということになります。



ブラックホールの周りに何もなければ、真っ暗で何がそこにあるのか分からない。
一方、ブラックホール周りで光るものがあると光らないブラックホールの輪郭が浮かび上がる。


          しかしながら、ブラックホール周りのガスや塵が出す電波は微弱であるうえ、ブラックホールの「姿」を浮かび上げるには
          ものすごく高い解像度で観測する必要があります。これらのことを達成できる電波望遠鏡のサイズは、なんと地球と同じ
          大きさとなってしまいます。そこで、地球上の電波望遠鏡が協力して1つのブラックホールを観測し、そのデータを1つに
          合わせることで、地球サイズの電波望遠鏡と同じ観測を達成する手法が使われています。
          この世界各地の電波望遠鏡を結ぶ観測ネットワークは、イベント・ホライズン・テレスコープ(EHT)と言い、日本を含め、
          世界各国の研究者が参加しています。



イベント・ホライズン・テレスコープ(EHT)に参加する電波望遠鏡たち©NRAO/AUI/NSF



     西はりま天文台もかつて特集しました

          兵庫県立大学西はりま天文台では、天文情報誌『宇宙NOW』を毎月発行しています。
          この宇宙NOWの2017年5月号(NO.326)にて、ブラックホールの「姿」を観測する取り組みを紹介しました。
          まさに紹介した取り組みが今回実を結んだことは、大変意義深く感じます。
          以下に、その時の宇宙NOWの記事を掲載しますので、ご覧ください。



     宇宙NOW2017年5月号(No.326)より8ページ目を抜粋


          

『宇宙NOW』のバックナンバーはこちら









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