【人類史上初】EHTプロジェクトがブラックホールの撮影に成功！！

みなさんこんばんわ！

ガガーリンさんです！！

間違いなく科学史に残るビックニュースが舞い込んできました！

２０１９年４月１０日　２２：００

EHTプロジェクト(Event Horison Telescope)主催の記者会見は

異様な緊張感に包まれていました。

「Event Horison Telescopeに関する成果発表」

と題された発表資料は

国立天文台の本間先生の説明と共に次々に進んでいきます。

そしてついに　２２：０７

本間先生はこう告げました。

「これがわたしたちの研究成果です。ブラックホールの撮影に成功しました。」

ぼやっと浮かび上がるオレンジ色の輪郭。

その中心にはなにもなく、これは紛れもなく

「ブラックホール」です。

これには会場からも

「おお～！」と声が上がりました。

ぼくも自宅で「うおおおお！」ってなりました。

翌日…

朝からニュースサイトを読み漁り、かなり興奮気味に出社したんですよ。

どうしても誰かと歴史的発見を語り合いたくて、さっそく先輩に話しかけました。

ぼく「昨日のブラックホールのニュース見ました？！」

先輩「そんなのあったね。てかさ、今年度から給料増えるらしいよ。」

いやいやいや、嬉しいけども！！

お金は大事だけどさ！！

… 

…

人類史上初の発見なのに世間の興味は

案外薄いものなんだと感じて悲しくなりました…

専門用語が多すぎて難しかったのでしょうか…

というわけで、一人でも多くの人に 

この発見のすごさを知ってもらうべく特集記事を書こうと思います。

ニュースを見ているだけでは

分からないことがたくさんあります。

みなさんが気になっているようなことについて

ひとつひとつわかりやすく書いていきます。

わかるようになれば、こんなにワクワクするニュースは

なかなかないですよ！！

ぜひ、この歴史的発見をみんなで喜びましょう！！

そもそもブラックホールって？？

宇宙に存在する天体のなかでもかなり知名度の高い天体のひとつ

「ブラックホール」

だれでも一度は聞いたことがあると思います。

でもブラックホールが、れっきとした天体であることは、意外と知らない人が多いかもしれませんね。

このブラックホール、簡単に言うと

「光さえ脱出できない、暗黒の天体」です。

「光さえ脱出できない」

つまり、光っていない天体です。

「光っていない」とはどうゆうことでしょうね。

身近な天体を考えてみましょう。

太陽は自分の力で光っていますよね。

地球や月は太陽の光を反射するので、

離れた場所からも観測することができます。

しかしブラックホールは天体でありながら

自ら光ることもなければ、光を反射することもありません。

こうした理由から、望遠鏡での観測は極めて難しいと思われていました。

実際、世界中の研究者が１００年以上実験を続けてきました。

そんなブラックホールの観測をEHTプロジェクトが成し遂げたのですから、素晴らしいことです！

ところで、ブラックホールって目には見えないんですよね。

だったら、だれがこんなこと言い出したんでしょうね？？

ブラックホールの存在を予言した人物とは？？

「光さえも脱出できない、暗黒の天体」

こんなのまるでSFじゃないか… 

そんなSFみたいな話が出てきたのは

２０世紀を象徴するある大発見があったからです。

それが「一般相対性理論」です。

現代物理学の父「アルベルト・アインシュタイン」が

１９１５年に発表しました。

一般相対性理論を一言で述べておくと

「時間と空間は相対的な物理量で扱うことができる」

という内容です。

(ぼくも詳しいことはわかりません。おそらく大学で物理学を専攻していないと頭がおいつかないと思います。)

時間と空間について述べられたこの理論。

当然、ブラックホールのためにつくられたわけではありません。

しかし、アインシュタインのこの理論をひも解くとひとつの”予言”が現れます。

「光さえも脱出できない、暗黒の天体が存在するだろう」

なぜこんな予言ができるのでしょうか？

ブラックホールは超重力をもつ天体だ

この予言の意味を理解するためには重力について少し勉強する必要があるので、みなさんがんばってついてきてください。

(もちろん、わかりやすく説明します)

アインシュタインの一般相対性理論によれば「空間が歪む」ということが起こります。

空間を歪ませる原因は「重力」です。

どういったことか、例をあげてみます。

地球が宇宙に浮かんでいる様子を想像してください。

地球は重いので大きな重力を発生させています。

つまり、一般相対性理論によれば

「地球は空間を大きく歪ませている」んです。

(実際には、質量を持つものはすべて重力を発生させています。たとえ人間だろうが、アリだろうがかなり微弱ながら重力を発生させていますし、空間を歪めています。)

空間を歪ませることをイメージするために図をご覧ください。

宇宙空間に浮かぶ地球は、さながらトランポリンのように空間を歪ませているんです。

ここに、地球のすぐ近くを通る光があるとします。

大原則として、光は必ず直進します。

地球のすぐ近くは空間が歪んでいるので、光は歪んだ空間に沿って進みます。

つまり、遠くから見ると光が湾曲して進んでいるように見えます。

重力によって空間が歪み、

光が湾曲しながら進むようすがイメージできましたか？

さて、ここで面白いことを思いつきました。

重力がハチャメチャに大きくて空間が歪みまくってしまうような天体があったら…

光はどうやって進むでしょうか？？

イメージはこんな感じです。

空間が歪みすぎて、もはや底が見えません。

この歪みを光が通ろうとすると…

深い谷に吸い込まれて、おそらく出てこれないでしょうね。

実はこれが、ブラックホールの正体です。

イメージできました？？

こうしてアインシュタインの一般相対性理論は、ブラックホールの存在を予言したのです。

ブラックホールはどこにある？？

長々とお勉強お疲れさまでした。

実はさっきの説明が分かれば、一般相対性理論について 少し理解したことになります。

物理学が面白く感じてきましたね！！

さて、存在が予言されたブラックホールですが…

実際にはどうやって探せばいいんでしょうか？

さまざまな研究によってブラックホールが存在するとしたら、どんな特徴がありそうなのかが、だんだんと分かってきました。

(詳しい特徴は長くなるので省略します)

ここからは天文学者の出番です。

ブラックホールの特徴をもとに、ひたすら望遠鏡を覗き込む毎日が続きます。

研究者たちは熱心な観測の結果、ブラックホールが存在しそうな場所を見つけました。

おとめ座の一部となっている

「M87」という銀河の中心です。

左上の強く光っているところがそうです。

これは宇宙ハッブル望遠鏡が撮影した画像であります。

このハッブル望遠鏡の視力は実に１５００

ぼくの視力は１．０なので…

１５００倍の解像度をもった高性能な望遠鏡です。

ハッブル望遠鏡の観測結果は、ブラックホールの特徴と一致するところが多く

「この銀河にはブラックホールが存在するだろう」と多くの研究者たちは信じていました。

信じていただけで、確固たる証拠はありません。

なんせ、遠すぎてよく見えないんです。

ブラックホールは理論で予言されていても、実際に観測することが出来ずじまいとなってしまいました。

ブラックホールの観測方法って？？

ブラックホールらしき天体は見つかったけど、これじゃ遠すぎて証拠にならないなあ…

どうすればいいかは簡単です。

望遠鏡の解像度を大きくすればいいんです。

これまでの望遠鏡は宇宙に大きい望遠鏡を打ち上げ、

そこから天体を観測していました。

名前をハッブル望遠鏡と言います。

でも今回の望遠鏡は一味違います。

望遠鏡は大きければ大きいほど、解像度が高くなります。

じゃあ地球くらい大きい望遠鏡を作ってしまえばいいんです。

ブラックホールの撮影に成功した「EHTプロジェクト」は、この望遠鏡の技術力が素晴らしかった！！！

ほんとにすごい！！

今回の歴史的発見は、望遠鏡の技術が大きな”カギ”です。

EHTプロジェクトは地球サイズの望遠鏡を、ほんとうに作ってしまったんです！

いやでも、地球上にそんなでかい望遠鏡を作るのって物理的に無理じゃないですか。

だったらこうしてしまえばいいんです。

複数の望遠鏡を世界中に設置して、採取したデータを掛け合わせてひとつの望遠鏡にしています。

EHTプロジェクトでは全世界に８基の望遠鏡を連携し、より高解像度な撮影に成功しました。

その視力は３００万

ぼくの視力の３００万倍です。

途方もない…

暗黒の天体を撮影せよ

さて、この高解像度の電波望遠鏡を使えば、ブラックホールが撮影できるそうです。

でもブラックホールって暗黒の天体なんですよね？

どうやって撮影しているのでしょうか…

重力を勉強した今なら撮影方法も理解できるはずです！

がんばってイメージしてみてください！

まずは、先ほどの画像を思い出してください。

ブラックホールは空間を極端に歪ませます。

「落とし穴」と表現してもよいかもしれません。

ブラックホールそのものは光っていませんが、

近くを通る光はその落とし穴に落ちていきますよね。

すると、ブラックホールの円周には

落とし穴に落ちそうな光がたくさん見えるはずです。

ブラックホールを真上から見てみましょう。

真ん中の暗黒がブラックホールです。

小さい粒を近くを通る光とします。

近くを通る光は、だんだんと暗黒の落とし穴に落ちていきます。

ブラックホールに落ちる直前に光を抽出してみると

こんな感じに見えます。

これを画像解析することで…

じゃん！！

ブラックホールの撮影ができる！！

という原理になるわけですね。

ブラックホールを撮影するというよりは

その周りの光を撮影していますよね。

研究者たちはこれを

「ブラックホールシャドウ」と呼んでいます。

シャドウが撮影できれば

その中心の暗黒にはブラックホールがあるってことですね。

難しかったかもしれませんが、

要するに

「高解像度の望遠鏡でブラックホール周辺の光を観測した」

ということです。

しかし、ぼくたち素人から見ると

まだまだぼやけて見えますよね。

そう思っていたら記者会見後の質疑応答にて

ある記者がこんな質問をしました。

「もっと高解像度の撮影をするためには、どうすればいいでしょうか？」

これに対する本間先生の回答は

「もっと大きい望遠鏡をつくる」でした。

なんとも単純明快！！

さらに本間先生は

「地球より大きい望遠鏡がつくれたらいいんですが…まあ予算の関係で難しいでしょうね…みなさんぜひ資金調達に協力してください」

と続けました。

ユーモアに溢れるお茶目な発言で

とてもかわいかったです。

なぜこんなに大きなニュースになったの？？

 さて、もう一度述べておきますが

２０１９年４月１０日は科学史に残る１日になるでしょう！

ここまで読んでくださったみなさんなら

なぜこんなに大きなニュースになるのか想像がつくと思います。

ブラックホールの存在は

アインシュタインの一般相対性理論から予言されていました。

「光されも脱出できない、暗黒の天体が存在する」

発表されたのはたった１枚の写真の撮影ですが、

「非常に大きな意味をもった１枚」です。

ぼくたちがこんなにもワクワクしている理由は

一般相対性理論が、１００年の時を経てブラックホールの存在を言い当てた

どうですか？

１００年前の予言の答え合わせの瞬間ですよ

ワクワクしないわけがないじゃないですか！！

答え合わせが終わり、

宇宙物理学は新たなスタートを迎えました。

これからもいろんな発見が出てくると思いますよ！

見逃さないように！

さて、ブラックホールの撮影によって

一般相対性理論の正しさが証明されたと言えるかもしれません。

一般相対性理論は非常に多くのことを予言しています。

有名なところで言うと

・光より速く移動できる物質は存在しない

・物質が光の速さまで加速すると質量が無限大になる

・移動速度が光速に近づくほど時間の流れは遅くなる

(実質的に過去にタイムスリップできる)

などなど…

一般相対性理論が正しければ

過去にならタイムスリップすることができます。

でも、真相が分かるのはまだ先になりそうです。

また、一般相対性理論は

量子力学と相性が悪いことでも知られています。

「量子力学が最近できたばかりの不完全な理論であり、ミクロな世界でしか通用しないのが理由だ。」

といった意見も多くあります。

しかし、個人的な見解を述べるとするならば

「一般相対性理論と量子力学を包括するような物理理論が存在する」

とぼくは思っています。

理論物理学とは、宇宙空間のどこにおいても普遍的な理論を発見するための学問です。

ミクロな世界だけが特別な理由が分からないし、量子力学が間違っているとも思えない。

個人的な見解といっておきながらほとんどは、物理学者の言っていることの受け売りなんですけどね！

ブラックホールの発見から何が分かるの？？

話はまだまだ終わりませんよ！

「結局のところブラックホールの研究して、なんかいいことあんの？」

こう思った人、正直に手を挙げてください。

怒りませんから。

ブラックホールについて研究する意義について

さらっとお話しますね。

「宇宙に存在する銀河の中心のほとんどに、ブラックホールが位置しているだろう」

といった研究結果があります。

丸く渦巻いているのが一つの銀河です。

この宇宙には１０００億以上もの銀河が存在するといわれています。 

銀河はある一点を中心にグルグルと回転しています。

その中心がブラックホールですから、当然ブラックホールは銀河全体に影響を及ぼします。

ぼくたちの地球も太陽系に所属していて

太陽系も大きな銀河の一部です。

ぼくたちの銀河にもブラックホールがあるでしょう。

(ものすごく遠いので吸い込まれる心配はないですよ！)

銀河全体に影響があるんです。

ブラックホールが銀河の形成・進化・星の形成に大きく関わっていることは間違いなさそうですよね。

ブラックホールを研究することで、太陽系や地球の成り立ちについて新たな発見があるかもしれません。

それに、もしかしたら宇宙の歴史についても大きく関わっているのかもしれませんね。

地球の歴史や宇宙の謎をひも解くために

これからもブラックホール研究は進んでいきます。

日本の研究者が大きく貢献！！

ここまで読んでくだされば、今回の成果がいかに素晴らしいものかご理解いただけたと思います。

そんな素晴らしい成果の背景には日本の研究者が大きく貢献しています！

EHTの正式メンバーは約２００人。

そのうち日本人は２２名です。

大きく貢献しているというのは実は謙遜で、本当は世界をリードして研究を進めてきました。

日本の研究者無しでは、この人類史上初の成果は成し得なかったと思います。

主に貢献した分野を５つに分類してご紹介します。

日本人研究者が貢献した分野

１．望遠鏡の建設・運営

先ほど紹介したように、このプロジェクトでは世界中の望遠鏡を使用します。

全８基の望遠鏡のうち、２基の望遠鏡の建設を日本が担当しました。

チリにあるアルマ望遠鏡については建設から運用まで、すべてを日本が担当しています。

２．データ転送装置の開発

望遠鏡からデータ解析装置までは非常に距離があります。

高品質なデータ転送技術が求められるなか、光ファイバーによるデータ伝送装置を開発しました。

３．観測戦略の立案

これは日本人研究者が一番貢献した部分です。

ブラックホール観測の提案書作成段階から、主導的役割を果たしました。

賢い戦略がなければ、これほどの成果を挙げるには相当時間がかかったでしょう。

４．画像解析

これも日本人研究者がかなりの貢献をしています。

正確にデータを解析するためには、高度な画像解析の技術が求められます。

今回、画像解析に採用された技法は３つあります。

・従来から考案されていた技法

・米国が開発した技法

・日本が開発した技法

日本は「スパースモデリングを用いた技法」を…

米国は日本に倣った技法を……

両国がそれぞれ開発し、３つの技法を用いて計算した結果が高い精度で一致しました。

３つの方法で同じ結果が得られたということは、ブラックホールの撮影に成功したなによりの証拠です。

今回の成果に関しては、日本のみがオリジナルの画像解析技術を提供しました。

日本の画像解析技術は、世界トップレベルってことですね！

ちなみにこの技法で画像を解析するのに、半年以上かかったそうです。

「撮影には昨年６月に成功しており、解析が終了してやっと公表できるようになった」 ということですね。

５．理論面の貢献

実際にブラックホールを撮影するとしたらどんな映像になるか。

これが分かっていないと、撮影した画像が正しいかどうか分からなくなります。

事前にシミュレーションをしておくためには、理論上の正しい答えが必要になります。

そこで日本人研究者は独自に理論を研究し、シミュレーションシステムを開発しました。

こうして撮影した画像が、本当にブラックホールかどうかを判断することができるようになりました。

以上、日本人研究者の貢献をご覧いただきました。

非常に誇らしい気持ちと同時に、ワクワクさせてくれたことへの感謝でいっぱいです。

日本人研究者の貢献、そして世界中の協調によって人類史上初の成果を達成しました。

日本人研究者のひとりである本間先生は、一連のプレゼンテーションの結びをこのように語っています。

「今回のEHTの成果は１００年にも及ぶ問を解決するとともに、今後のブラックホール天文学の新時代を切り開くものである。」

令和元年＝ブラックホール研究新世紀

２０１９年５月１日より

元号が令和と変わり、新時代が始まります。

新時代の幕開けに先駆けて、アインシュタインからの宿題に答えがでました。

これからもEHTプロジェクトはブラックホール研究を続けていきます。

今後の展望として発表されたのは

・より高解像度の撮影(視力４５０万)

２０２０年には望遠鏡をフランスとアメリカに新設し

今回の画像の１．５倍の解像度を目指す。

・静止画から動画へ

観測タイミングを増やし、動画の撮影を目指す。

・ブラックホールジェットの謎を解き明かす

ブラックホールにはなぜかジェット状の雲が発生しており、ジェット生成のメカニズムや、ジェットによるブラックホールへの影響を調べる。

などなど…

EHTプロジェクトはこれからも続きます。

今後の発表をワクワクしながら待っています！！

終わりに

EHTプロジェクトの成果に関する記者会見は

全世界同時中継で行われました。

YouTubeにその様子が上がっていますので

少し長いですが、興味のある方はぜひ見てみてください！

www.youtube.com

にしても、こんな歴史的瞬間に生きていられてとても幸せです。

これからも新しい発見がたくさんあると思います。

みなさんもぜひ、見逃さないように！

さて、文字数も７５００を超えました。

こんなに長い記事を読んでくださってありがとうございます。

この記事をきっかけに、宇宙のことを語り合える仲間がひとりでも増えたらとても嬉しいです。

これからも宇宙に関する記事を書いていきます。

新しい記事はTwitterで告知しますので、

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今回はこの辺で！

それではよい週末を！！