ブラックホールの影は”揺れている”と判明!長期観測データから発見された未知の性質とは?

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数値シミュレーションによるM87 *の1年間の変化を表すアニメーション。
数値シミュレーションによるM87 *の1年間の変化を表すアニメーション。/Credit: G. Wong, B. Prather, Ch. Gammie, M. Wielgus & the EHT Collaboration

Credit:EHT,Phys

昨年ブラックホールの撮影画像が公開され、世界に驚きをもたらしたイベント・ホラインズン・テレスコープEvent Horizon Telescope、以下EHT)ですが、このときの研究成果を活かして過去の観測データも改めて分析が行われました。

その結果、ブラックホールの影は一定ではなく、ぐらぐらと揺らぐように時間変化していることがわかったのです。

この結果は未公開だった観測データを含め、9月23日の『The AstrophysicalJournal』に掲載されています。

ブラックホールにはまだ我々の知らない未知の性質が秘められているようです。

EHTとブラックホールの長期観測データ

2019年に公開されたM87*の画像。
2019年に公開されたM87*の画像。/Credit: Event Horizon Telescope Collaboration

ブラックホールの初めてとなる撮影画像が2019年に公開されましたが、これは2017年に行われた1週間分の観測データをまとめて作成されています

しかし過去の記事でもお伝えしたように、EHTによるブラックホールの観測はもっと以前から行われていていました。

EHTは単独の望遠鏡のような呼ばれ方ではありますが、実際は世界中の望遠鏡のネットワークの総称で、大量の観測データからブラックホールの姿を明らかにするプロジェクトを指す名前でもあります。

参加する天文台は年々増えていて、その観測の精度もあがっています。

EHTに参加する世界の天文台の変化。
EHTに参加する世界の天文台の変化。/Credit: M. Wielgus, D. Pesce & the EHT Collaboration

こうした参加天文台の拡大によって、昨年にはブラックホールの姿を画像として再現することに成功したのです。

今回の研究では、2019年に発表した研究成果を使って、2009年から2013年に集められた観測データを改めて分析しました。

このときの観測は、2017年の使われたものよりはるかにデータ数が少ないため、画像作成は不可能ですが、ブラックホールのいくつかの特徴を明らかにすることができました。

そこから確認されたのは、これまで知られていなかったブラックホールの時間変化だったのです。

揺らぐブラックホールの影

データを参考にモデリングされたM87 *のスナップショットとEHTの参加望遠鏡。
データを参考にモデリングされたM87 *のスナップショットとEHTの参加望遠鏡。/Credit: M. Wielgus, D. Pesce & the EHT Collaboration

ブラックホールの直径は最新の観測データとの違いはありませんでした。しかし、データからモデリングされたブラックホールは暗い影になっている場所の位置が、時間によって変化していることがわかったのです。

ブラックホールは、それ自体の姿を見ることはできません。観測で映っているのはブラックホールの周囲に吸い寄せられた塵やガスが作る降着円盤です。

この円盤の動的な変化を調べたところ、円盤はぐらつくことがあるとわかったのです。これは科学者にとっても大きなニュースでした。

測定されたリングの直径の一貫性と方向測定のグラつきを示すスライドアニメーション。
測定されたリングの直径の一貫性と方向測定のグラつきを示すスライドアニメーション。/Credit: M. Wielgus, D. Pesce & the EHT Collaboration

ブラックホールはその存在が確認されて、観測がされるようになってからまだ日の浅い天体です。

この2009年から2013年の観測は、最新のものに比べればデータ量としては劣るものですが、長期観測によって、これまでになかったブラックホールの時間的な変化を明らかにする貴重なものだったのです。

揺らぐ影の原因は? ブラックホールには何が起きているのか?

角度を変えて見た場合のブラックホール。
Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman

ぼんやりしたブラックホールの画像からでは、暗い影の意味がよくわからないかもしれません。しかし降着円盤は光速に近いスピードで回転しているため、地球から遠ざかるように回転している部分は、光の勢いがドップラー効果によって減衰されて暗く見えるのです

反対に地球に向かって手前に回転している部分は輝きが強化されて見えます。

過去の記事でも解説していますが、観測されたブラックホールの姿は降着円盤を正面から見ています。しかし、ブラックホールは強力な重力源のため、手前や裏側に回った円盤の光が歪んで、ブラックホールを上下に囲むリングのように見えているのです。

では、なぜ暗い影の部分が変化するのでしょう?

研究者はそれが円盤の回転に乱流が発生しているためだと予想しています。

ブラックホールに落下する塵やガスの円盤は、数十億℃まで加熱され、強力な磁場を生み出しています。そうした環境下で物質はイオン化し流れを乱していると考えられるのです。

ブラックホールの降着円盤や周辺の凄まじい磁場の影響は、ジェットと呼ばれる凄まじい物質の噴出現象にも関わっています。

ジェットはまだ完全にメカニズムが解明されていない現象です。今回の研究はジェットの解明にも結びつく重要な情報を含んでいます。

ブラックホールについては、いくつもの理論的モデルが存在していますが、その中には今回見つかったような影のぐらつき(円盤の乱流)を許容しないものがあります。

この発見は、そうした一部のモデルを除外し、より現実に近いモデルを選定するためにも役立つでしょう。

EHTプロジェクトは現在も拡張されていて、より豊富なデータセットが扱えるようになっています。

今後の観測から、ブラックホールの乱流のダイナミクスの研究は更に進んでいくだろうと研究者は語ります。ブラックホールの研究はまだ始まったばかりなのです。

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