ブラックホール銀河で何を！ブラックホールは多くの人になじみがあるが、謎に満ちた天体だ！
ブラックホール銀河で何を！ブラックホールは多くの人になじみがあるが、謎に満ちた天体だ！
近くの物質や光を吸い込み、一度入ったら出られない――-ブラックホールは多くの人になじみがあるが、謎に満ちた天体だ。
どのように生まれ、何をしているのか。
なぜ銀河の中心にあるのか。
その手がかりを掴むため、天門学者たちはもっとも近くにある巨大ブラックホールにねらいを定めてきた。
5月、ついにその姿の撮影に成功したが、天門学者たちは深まる謎の解明に早くも動き出している。
「これが私たちの住む銀河の中心にある巨大ブラックホールの姿です」。
5月12日の記者会見を見て国際研究チームが発表した画像には、オレンジ色のドーナツに囲まれた穴ような黒い影が写っていた。
最も近い「いて座Aスター」と呼ぶ巨大ブラックホールを撮った画像だ。
質量は太陽の約400万倍で、地球からは2万7000千光年ほどの距離にある。
ブラックホールの撮影としては2019年の公表に続く２例目になる。
世界8か所にある電波望遠鏡を連動させ、地球大の望遠鏡に見立てた。
視力は地球から月の上のゴルフボールが見えるほど高い。
いて座Aスターは当初から撮影対象だったが、10時間ほどかかる観測の間に数分単位で激しく変化するため、画像の処理に時間がかかった。
17年の観測から5年かけてが画像にすることに成功した。
「次は動画の撮影だ」。
日本チームの代表を務めている国立天文台の本間希樹教授はこう話す。
これまでの2回の撮影はいずれも静止画で、変化している様子は見えなかった。
動画を撮影できれば、回転する様子や周辺のガスの動きまで詳しくわかる。
「ブラックホルの理解が革命的に進む」と本間教授はいう。
見えぬ素顔、次は動画撮影！しかも動画で撮影出来れば、そのヒントが得られるかもしれない！
見えぬ素顔、次は動画撮影！しかも動画で撮影出来れば、そのヒントが得られるかもしれない！
巨大なブラックホールがどのように生まれ、何をしているのかは大きな謎だ。
なんでも吸い込むときくブラックホールだが、実は吸い込みきれなかった物質を勢いよく吹き出している。
超高速で吹き出すガスの存在からは、次々とエネルギーを放出する場所という別の顔が見えてくる。
動画で迫るのは、噴出するガスの様子だ。
周辺のガスを吸い込み大きく成長する瞬間も捉えられると期待が膨らむ。
動画観測は、ブラックホールが何故銀河の中心にあるのかという疑問を解く手がかりも与える。
ブラックホールの質量は、常に銀河の質量の1000分の１程になる。
この不思議な関係から「銀河が誕生して今の姿になる上でなんらかの役割を担っていたであろう」（本間教授）。
銀河を地球サイズのほどに見立てるなら、巨大ブラックホールは米粒より小さくなる。
銀河に影響を与えるとしたら何がそれだけのエネルギーをもたらすのか、興味は尽きない。
動画を撮るには望遠鏡の数を増やして画質を向上させる必要がある。
過去2回の撮影で使った観測網には、その後、グリーランドなど3カ所の望遠鏡が加わった。
北米、南米、アフリカにも増設して二倍に増やす計画もある。
すでに設置している望遠鏡の改良も進めており、解像度の向上を目指して早ければ23年にも短い波長を観測に使えるようにする。
画像解析の手法も動画用に改良を重ねている。
これまで静止画の撮影に成功した2つのブラックホールは、地球から大きく見えた。
現材の望遠の性能ではこの2つを撮るのが限界という。
そのほか2つのブラックホールは小さかったり、地球から遠かたりする。
望遠鏡を地球サイズより、何倍も大きくしないと撮影はできない。
電波望遠強を宇宙に浮かべ、地球の外側にも観測網を広げれば撮影出来るが、現状では予算のめどは立っていない。
別のブラックホールを撮影できるようになったら、天門学者は何を見たいと考えているのか。
本間教授は「宇宙が生まれたばかりのころのブラックホールを撮影して見たい」と目を輝かせる。
なんでも吸い込むイメージが強いブラックホールと銀河の誕生は、一見すると矛盾する現象のようにも思える。
無数に存在する巨大ブラックホールがどのように生まれて何をしているのか。
様々な年代で、しかも動画で撮影出来れば、そのヒントが得られるかもしれない。
（遠藤智之）
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！
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！
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？
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）
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！
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！
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。
JAXA より。
ブラックホール（black hole）とは、宇宙空間に存在する天体のうち、極めて高密度
ブラックホール（black hole）とは、宇宙空間に存在する天体のうち、極めて高密度で、強い重力のために物質だけでなく光さえ脱出することができない天体である。
目次
外部リンク名称[編集]
「black hole」という呼び名が定着する以前までは、崩壊した星を意味する「collapsar（コラプサー）」などと呼ばれていた[3]。
光すら脱け出せない縮退星に対して「black hole」という言葉が用いられた最も古い印刷物は、
ジャーナリストのアン・ユーイング(Ann Ewing)が1964年1月18日の『サイエンス・ニュースレター』で記した
「’Black holes’ in space」と題するアメリカ科学振興協会の会合を紹介する記事である[4][5][6]。
一般には、アメリカの物理学者ジョン・ホイーラーが1967年に初めて用いたとされるが[7]、
実際には当時ニューヨークで行われた会議中で聴衆の一人が洩らした言葉をホイーラーが採用して広めたものであり[5]、
またホイーラー自身はブラックホールという言葉の考案者であると主張したことはない[5]。
用語として「ブラックホール」を広く定着させたのは、1964年に発行された科学雑誌に「宇宙にできた黒い穴」と形容され始め、
1967年にホイーラーがパルサーの解釈をめぐる講演中で「英語: gravitationally completely collapsed object」と繰り返していたのを
聴衆が「それはブラックホールでは？」と言ったのをきっかけにその後に使い出したことから広まったとされている。
ブラックホールの想像図！
特徴[編集]
巨大な天体を観測すると、その向こう側から来る光が曲げられて見えることから、光も重力の影響を受けることは知られていた。
つまり、重力が強大になるにつれ、ある点で「光すら脱出できない」ほどの状態となる。
光より速い物質は存在しない前提であるため、いかなる物質や電波などが発出されないという特性から、その天体を直接的に観測を行うことは困難である。
そのため、その近傍にある他の天体や、その背後に見えるはずの天体との相互作用を介して間接的な観測が行われている。
X線源の精密な観測と質量推定によって、現在観測されているいくつかの天体はブラックホールであると考えられている。
ブラック「ホール」という名称であるが、どこかに落下していく「穴」ではなく、光さえも脱出できない＝何も見えないことから、
多くの想像図では黒い球体で描かれるが、正確には通常の観測では「何も見えない」ため「黒い球体」も誤った表現となる。
SF等では「時空に穴が開いていて、どこか別の場所に出口となる穴（比較してホワイトホールと称されることが多い）に繋がっているとされる描写があるが、誤りである。
太陽系がある天の川銀河系も含め、現在観測されているその他銀河系や連星系のほとんどについて構造を検討すると、その中心天体はブラックホール化していないと説明がつかないことが多い。
地球から最も近いところでは、約1000光年先にある連星系HR6819がブラックホールである候補とされ、その研究と観測が進められている。
また2019年に撮影に成功したブラックホールは約6000万光年先である。
事象の地平面[編集]
事象の地平面[編集]
「事象の地平面」も参照
周囲は非常に強い重力によって時空が著しくゆがめられ、ある半径より内側では脱出速度が光速を超えてしまう。
この半径をシュヴァルツシルト半径、この半径を持つ球面を事象の地平面（シュヴァルツシルト面）と呼ぶ。
この中からは光であっても外に出てくることはできないので、現在天体観測に用いられているほぼ全ての光線、電波が出てこなくなる。
ブラックホールは単に元の星の構成物質がシュヴァルツシルト半径よりも小さく圧縮されてしまった状態の天体であり、
事象の地平面の位置に何かがある訳ではなく、ブラックホールに向かって落下する物体は事象の地平面を超えて中心へ引き込まれて行く。
ブラックホールの引力は光速を超えているため、ブラックホールに向かって落下する物体を離れた位置の観測者から見ると、
物体が事象の地平面に近づくにつれて光速に近づくために、相対論的効果によって物体の時間の進み方が遅れるように見える。
最終的に観測者からはブラックホールに落ちていく物体は事象の地平面の位置で永久に停止するように見える[10]。
同時に、物体から出た光は重力による赤方偏移を受けるため、物体は落ちていくにつれて次第に赤くなり[11]やがて可視光領域を外れ見えなくなる。
逆に落ちていく物体からすれば、事象の地平面を通過する頃には事象の地平面の外側の時間の進み方が大幅に高速化するように見えると想定されている。
特異点[編集]
「重力の特異点」も参照
ブラックホールには密度、重力が無限大である重力の特異点があるとされる。
角運動量を持たないシュヴァルツシルト・ブラックホールでは中心にあり、回転するカー・ブラックホールではリング状に存在する。
降着円盤[編集]
「降着円盤」および「活動銀河」も参照
連星系を形成するブラックホールは降着円盤を形成する場合がある。円盤は膨大な熱とX線を放射する。
多くのものは宇宙ジェットを伴うが、ジェットの生成メカニズムははっきりとは分かっていない。ブラックホールの観測において非常に重要である。
理論史[編集]
カール・シュヴァルツシルト
ブラックホールの理論的可能性については、18世紀後半に先駆的な着想があった[12]。
ピエール＝シモン・ラプラスは、アイザック・ニュートンの提唱した光の粒子説とニュートン力学から、
光も万有引力の影響を受けると考え、理論を極限まで推し進めて「十分に質量と密度の大きな天体があれば、
その重力は光の速度でも抜け出せないほどになるに違いない」と推測した。
また、イギリスのジョン・ミッチェルも同様の論文を発表した。
しかしその後、光の波動説が優勢になり、この着想は忘れられた。
現代的なブラックホール理論は、アルベルト・アインシュタインの一般相対性理論が発表された直後の1915年に、カール・シュヴァルツシルトがアインシュタイン方程式に対する特殊解を導いたことから始まった。
シュヴァルツシルト解は、時空が球対称で自転せず、さらに真空であるという最も単純な仮定の上での一般相対性理論の厳密解として得られる。
アインシュタイン本人は一般相対論で特異点が有り得ることを渋々認めていたものの、それはあくまで数学的な話であって現実には有り得ないと考えていた。
ウイキペディア
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