初撮影から1年後のM87ブラックホールの姿

東京工業大学 科学技術創成研究院 量子航法研究ユニットの笹田真人特任助教が参加する国際研究チーム「イベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）・コラボレーション」は、史上初の撮影に成功した楕円銀河M87の巨大ブラックホールについて新たな観測画像を公開しました。今回公開された画像は、初撮影が行われた2017年4月の観測から約1年後の2018年4月に観測されたものです。2018年の観測では新たにグリーンランド望遠鏡がネットワークに参加し、またデータ記録速度が向上したことでM87ブラックホールの新たな姿が明らかとなりました。1年後の画像では、2017年に観測されたものと同じ大きさのリング構造が確認されました。この明るいリングに縁取られた中央の暗い部分が、まさに一般相対性理論から予言されている「ブラックホールシャドウ」の存在を裏付けています。一方で、リングの最も明るい場所は角度にして約30度異なっており、ブラックホール周辺の物質が乱流状に振る舞っていることを示唆しています。本研究成果は、2024年1月18日付で欧州の天文学専門誌「Astronomy and Astrophysics」に掲載されました。

「自然科学の探求には、独立した観測による事象の再現が不可欠です。」本研究プロジェクト代表の一人でグリーンランド望遠鏡計画のプロジェクトサイエンティストを務める台湾中央研究院 天文及天文物理学研究所の浅田圭一副研究員はこのように述べています。「完全に新しいデータでもリングの再現性を確認できたことはEHTにとって大きなマイルストーンでした。これはブラックホールシャドウ周辺の物質からの光を見ていることを強く示すものです。」

EHTは2017年にブラックホールの初撮影を行い、2019年4月にその画像を公開しました。撮影された巨大ブラックホールは、地球からおよそ5,500万光年彼方にあるおとめ座銀河団の楕円銀河M87の中心にあります。初撮影されたブラックホールの画像では、時計の6時の方向が最も明るいリング構造が捉えられました。

この観測によりブラックホールを視覚的に捉える新時代が幕をあけ、M87ブラックホールの周りにリングが見えることやその形から一般相対性理論の検証が可能となりました。一方で、リングの細かい明るさの分布には、ブラックホールの周りを取り巻く物質の乱流構造が反映され、1年後には大きく変わりうると理論的に予想されていました。年を経てM87を再度観測することで、一般相対論的効果で安定して現れるリングと、周辺で変動する複雑なガスの構造を区別して調べることができるのです。

「2017年4月から灼熱の台湾、標高4,000 m超のハワイマウナケア山頂、極寒極夜のグリーンランドと世界各地で行われたグリーンランド望遠鏡の立ち上げ試験に参加しました。観測データを解析し画像を得る以前にも、望遠鏡の建設、観測装置の作成や試験、観測運用といった多くのステップがあることを目の当たりにしました。世界中の仲間が積み重ねた一つ一つのステップが今回の成果に繋がっており、とても誇らしく思います。」とEHT科学諮問委員会副議長を務める新潟大学大学院 自然科学研究科の小山翔子助教は語っています。

初撮影に次ぐ新たな科学目標を達成するために、EHTは拡張を続けています。本観測には2017年末に北極圏内に新たに建設されたグリーンランド望遠鏡が初めて加わりました。EHTの観測ネットワークの最北端に位置するグリーンランド望遠鏡が参加することで画像の質が大幅に向上しました。メキシコにある口径50 mのLMT望遠鏡も、その巨大な鏡面全体で観測が可能になったことで感度が高くなりました。また、データ記録速度が2倍向上したことで観測される周波数帯が2つから4つに増え、1日の観測でも独立した4つのデータで結果を検証できるようになりました。

巨大ブラックホールの存在をより確かなものとし、初撮影の結果を裏付ける上でも、繰り返し観測を行うことは不可欠でした。EHTはその科学的重要性だけでなく、技術的難易度の高いミリ波・サブミリ波電波干渉計のために開発された最先端技術の実証を行う場としての役割も果たしています。

「私たちは電波望遠鏡の空白地帯であった北緯76度という北極圏に建設を進めました。アルマ望遠鏡と約9,000 kmの距離を結ぶことによって、南北方向の最も詳細なデータを得ることができました。」とグリーンランド望遠鏡計画の代表を務める台湾中央研究院天文及天文物理研究所の松下聡樹 研究員は述べています。「これに加え、他のEHT望遠鏡群とのデータからリングの形や明るさの非対称性をより正確に決められるようになり、今回の結果に多大な貢献をしました。」

今回の新しいデータ解析には、M87ブラックホールの初撮影に使用された手法に加えて、天の川銀河中心ブラックホールの画像化を元に新たに開発された手法を含む、合計8つの独立した手法が用いられました。

その結果、初撮影時と同じ大きさの明るいリング状の構造が確認されました。中心部は暗く、リングの片側が明るいという特徴も共通しています。M87ブラックホールの質量と距離は数年の間ではほとんど変化しないため、リングの直径も変化しないことが一般相対性理論から予測されています。2017年と2018年で同じ大きさのリング状構造が見られたことは、M87ブラックホール周辺の時空構造が一般相対性理論によって記述されていることを強く支持するものです。

「一般相対性理論によると、リングの見かけの大きさはブラックホールの質量とブラックホールまでの距離のみに依存します。M87ブラックホールに物質が降着するスピードは遅く、質量の変化はほとんどありません。ブラックホールまでの距離も変化しないので、リングの大きさが一年後も変わっていないことはまさに一般相対性理論の予言通りの結果です。」と小藤由太郎氏（東京大学大学院理学系研究科 博士課程在学）は述べています。

一方で興味深い変化も確認されました。2017年の画像ではリングの最も明るい場所が6時の方向にありましたが、2018年の画像では約30度異なる5時の方向にありました。これはブラックホール周辺の物質による乱流状の振る舞いが影響していると考えられ、2017年と2018年でリングの細かい明るさの分布は大きく変化しうると理論的に予想されていました。変化したとはいえ両者の画像の明るい場所が似ていることも重要です。明るい場所が南側であることは、理論的にブラックホールの回転軸がほぼ東西方向であることを示唆しています。そしてそれはブラックホールから離れたところで主にセンチ波帯で観測されているジェットの方向と近いことがわかりました。

「今回の成果はブラックホールの自転によりジェットが駆動されている可能性にまた一歩近づいたと言えます。」と八戸工業高等専門学校総合科学教育科の中村雅徳教授は述べています。「2010年より日本人研究者達が中心となって進めたグリーンランド望遠鏡計画が結実し、本成果に貢献できたことは光栄です。」

これまで発表されたEHTの論文は全て2017年の観測に基づくものでしたが、今回の結果は2018年以降に取得したデータに関する初の成果となります。2017年と2018年に加えて、2021年、2022年にも観測が行われています。2024年前半にも観測を予定しています。EHTは観測の度に新しい望遠鏡を加え、観測周波数を増やすことで、性能を向上させています。現在も国際共同研究の元で新しい観測やデータ解析、結果の考察が進められており、今後もますます多くの研究成果が見込まれています。

EHT日本チームの代表である本間希樹 国立天文台教授・水沢VLBI観測所所長は、「今回の成果は、2017年のEHTの結果を確認したことに加え、時間変動の研究の重要性を明らかにしました。ブラックホール周辺で起きる時間変動現象の理解には、今後のEHTの観測継続に加えて、その視力を向上させる衛星計画（EHE）へと展開することが鍵となります。また、東アジアVLBI網等によるジェット観測との連携もさらに重要となっていくことでしょう。」とコメントしています。