EHT探査：ブラックホールの画像を鮮明にする

天文学者たちは、イベント・ホライズン・テレスコープを使って超大質量ブラックホールの画像を鮮明にする方法を発見した。

地球から遠くの銀河を観測した図。画像には世界各地の参加電波望遠鏡が写っている。提供: ESO/M. Kornmesser

2019年は天文学界にとって重要な年であり、天文学者たちは 銀河M87の中心にある超大質量ブラックホールそれだけでなく、2022年には超大質量ブラックホールの画像も撮影されました。今度は、私たちがいる銀河からやってきたのです。そうなんです！ 天の川銀河の中心にある超大質量ブラックホール。 どちらの画像も、イベント・ホライズン・テレスコープ・ネットワークの一部である電波望遠鏡のネットワークの観測から得られたものです。この望遠鏡ネットワークは、世界中のさまざまな場所にある8つの望遠鏡で構成されています。このネットワークは、次の技術を使用して地球サイズの仮想電波望遠鏡を作成します。 超長基線干渉法 （VLBI）。

その結果、天文学者は銀河の中心にある超大質量ブラックホールを撮影することができた。しかし、画像では、重力によって光が曲げられて形成された明るいリングがぼやけて見える。そして、これが私たちが得られる最も鮮明な結果だ。

短波長

Sgr A* に似たブラックホールを 2 つの異なる波長、1.3 mm (左) とより鮮明な 0.87 mm (右) でシミュレーションしました。提供元: Christian M. Fromm、ユリウス・マクシミリアン大学、ヴュルツブルク

一般的に、天文学者がより鮮明な画像や写真を撮りたい場合、より大きな望遠鏡を使用します。しかし、現在、超大質量ブラックホールの写真を撮るために作られた仮想望遠鏡は、すでに地球と同じ大きさです。したがって、望遠鏡を大きくするのは当然困難です。画像の解像度を上げるには、別の方法が必要です。

より鮮明な画像を得るために、天文学者たちは異なるアプローチを採用しました。彼らは以前とは異なる波長で観測を行いました。より正確に言うと、天文学者たちはより短い波長で観測を行うことにしました。

イベント・ホライズン・テレスコープは、M87銀河と天の川銀河の中心にある2つの超大質量ブラックホールを波長1.3mmで撮影した。そこで天文学者らは、超大質量ブラックホールの画像の鮮明度を向上させるため、波長0.87mmで観測することを計画している。

したがって、得られる画像はより鮮明であるだけでなく、より詳細でもあります。天文学者は、さまざまな波長でブラックホールの周囲のガスの変化を見ることを望んでいます。もちろん、ブラックホールがどのように相互作用し、周囲に物質を集積するかという謎を解くことが目的です。また、銀河の中心からのジェットバーストがどのように形成されるかを理解したいと考えています。それだけでなく、より詳細な画像により、これまで予測されていなかった新しいものが見つかる可能性もあります。

観察試験

短波長観測実験に参加しているアンテナと電波望遠鏡の位置。提供: ESO/M. Kornmesser

このアイデアでより鮮明な画像が撮れるかどうか確かめるには、実験観測を行う必要があります。波長 0.87 mm での観測はこれまでにも行われてきましたが、VLBI 技術による観測はこれまで行われてきませんでした。

より短い波長での観測にも独自の課題があります。そのひとつは、大気中の水蒸気は 1.3 mm よりも 0.87 mm で多くを吸収することです。さらに、大気の乱流がますます顕著になり、より短い波長でノイズが増加し、大気に敏感な観測中に地球の気象条件を制御できないことなどが重なり、より短い波長での VLBI 観測、特にサブミリ波境界を越える観測の開発が遅れています。

超大質量ブラックホールの波長 0.87 mm での観測が確実に実行できるように、テストが行われました。この観測では、天文学者はいくつかの遠方の銀河を波長 0.87 mm で観測することを目標としました。ただし、観測はイベント ホライズン電波望遠鏡ネットワークのすべてのアンテナで実行されたわけではありません。

天文学者たちは、チリのALMAおよびAPEX望遠鏡ネットワーク、フランスのNOEMA、ハワイのサブミリ波干渉計、スペインのIRAM 30メートル電波望遠鏡、グリーンランドのグリーンランド望遠鏡で、わずか2つのアンテナしか使用しませんでした。

この観測テストで、天文学者はいくつかの遠方の銀河を発見しました。その結果、19マイクロ秒角までの非常に詳細なデータが得られました。これは、地球からこれまでに行われた観測の中で最高解像度の観測です。

しかし、使用されたアンテナの数が少なかったため、画像が生成されず、結果として得られたデータも画像を生成するのに十分ではなかった。しかし、天文学者がEHTネットワークのすべてのアンテナを使用した場合、データは13マイクロ秒角ほどの超大質量ブラックホールを示す可能性がある。

地球から月のボトルキャップがはっきり見えるのと同じです。ブラックホールを研究するための新しい窓が開かれました。波長 0.87 mm での観測により、M87* と Sgr A* の以前に公開された画像と比較して、ブラックホール画像の鮮明度が最大 50% 向上します。さらに、より小さく、より遠く、より暗いブラックホールを観測できる新たな可能性が生まれます。