偉大な物理学者アルバート・アインシュタインの一般相対性理論が、巨大な重力をもつ高密度の天体の存在を予言してから約100年。2019年4月10日、天文物理学者らが初めてブラックホールの姿を画像にとらえたと発表した。

ブラックホール周辺部を明るく照らすリング状のガス。その中心部に存在する暗い“影”。ブラックホールはその名の通り「黒い穴」として人類の前に姿を現した。この歴史的な成果は、世界に散らばる8つの電波望遠鏡を連携させ、200人ものサイエンティストが国際チームを組んだ末の功績である。

「事象の地平線」をのぞき込む

この偉業はまさに、アインシュタインの影を追った結果だった。

イヴェント・ホライゾン・テレスコープ（EHT）国際チームのひとり、アリゾナ大学天文物理学教授のフェリアル・オゼル博士は、ブラックホールの姿を画像に収めるための挑戦を次のように語っている。

「ブラックホールは、宇宙がわたしたちに提供してくれる“自然の研究室”なのです。そこはすべてが極端で、物理の法則すらねじ曲げられ壊れてしまうかもしれません。互いに相容れないといわれる量子力学と一般相対性理論も、ブラックホールの中ではなす術がない。そこは物理学者にとって、とても魅力的な場所なのです」

ブラックホールはその巨大な密度と重力により時空が湾曲した場所で、その重力の強さから光すら脱出できないと言われる天体だ。よってブラックホールの観測は、光が逃れられなくなる境界線、すなわち「事象の地平線」を見ることになる。

銀河の中心部では、ガスがブラックホールに飲み込まれる寸前に、何十億℃もの熱を発する。それがアインシュタインの一般相対性理論で予測される大きさと形をもつ「事象の地平線」をシルエットのように浮かび上がらせるのだ。

今回のターゲットとなった2つのブラックホールは、地球から観測しやすい“見かけ”の大きさが鍵となった。一般的に、質量が大きいブラックホールほどそのサイズも大きく、近くに存在するブラックホールほど大きく見える。

これらの基準を満たしたのが、われわれ銀河の中心部に存在する「いて座A*」のブラックホールと、おとめ座銀河団にある「M87銀河」中心部のブラックホールだった。今回公開された画像は、地球から5,500万光年離れたM87銀河のもので、それはなんと太陽の65億倍の質量を持つ巨大なブラックホールなのだそうだ。

直接は観測できないとされるブラックホール。研究チームはどのような技術でこれを可能にしたのだろうか？

8つの電波望遠鏡を途方もない精度で連動

EHTチームの説明によると、ブラックホールはとてつもなく遠方にあり、「ニューヨークにいながら、ロサンゼルスにあるゴルフボールのくぼみを一つひとつ数えるようなもの」だったり、「月にあるミカンの写真を撮るようなもの」という、途方もなく非常識な精度を必要とするものだった。この解像度を達成するには、地球規模の大きさをもつ望遠鏡が必要になる。

そこで国際研究チームは、アリゾナ、ハワイ、スペイン、メキシコ、チリ、そして南極にある8つの電波望遠鏡を連動させ、仮想的に地球規模の大きさをもつイヴェント・ホライゾン・テレスコープ（EHT）を実現させた。そして超長基線電波干渉法（VLBI）と呼ばれる技術を使い、距離の離れた複数の望遠鏡が受信した電波を干渉させることで、上記の例に違わないとんでもなく高分解能の画像合成が可能となった。

世界8カ所に点在する電波望遠鏡を用いてブラックホールの画像を捉えた。写真は南極にある電波望遠鏡。PHOTO: JUNHAN KIM/THE UNIVERSITY OF ARIZONA

とはいえ、超巨大なブラックホールの観測を可能にするには、8つの望遠鏡の皿すべてが完全にシンクロし、それぞれ特定の方角を向いていなければならない。世界規模の安定した連動を可能にするために、EHTでは1億年に1秒の誤差という超精度の原子時計が導入された。これにより完全にシンクロした8つの望遠鏡は、同時に首を傾け、ブラックホールに焦点を合わせるひとつの巨大なパラボラアンテナのような働きをしたのだ。

「イヴェント・ホライゾン・テレスコープ（EHT）は、アインシュタインの一般相対性理論が予言した、銀河の中心部に存在する超巨大なブラックホール周辺を試すことができた最初の観測手段です」と、アリゾナ大学天文学教授のディミトリオス・ソルティス博士は話す。

500kgのハードディスクを物理的に移動

チームによると、ブラックホールに飲み込まれる寸前にある高温のガスが最もよく輝いて見られるのは、1mmの周波数付近だという。実際に撮影に使用された周波数は1.3mm。この周波数は幸運にも、地球の大気や銀河に存在するガスに妨げられることなく、ブラックホールを“見る”ことができるのだという。

2017年4月、EHTチームは8つの望遠鏡で5ペタバイト（1ペタバイト＝1,024テラバイト）ものデータを取得した。この研究でコンピュテーション・ソフトウェアグループを率いた陳志均（チャン・チークワン）博士によると、米国で典型的なインターネットのスピードだと「ひとつの天文台からほかの天文台にデータを送るのに1年ほどかかる規模」のデータ量だという。それがおよそ500kgもあるハードディスクを輸送するのを余儀なくさせられた理由だ。「南極の観測は冬に行われたので、ハードディスクを輸送できる夏になるまで、6カ月も待たなくてはならなかったんですよ」

世界中にいる国際メンバーとのコラボレーションは、クラウドコンピューティングなどを活用することで可能になった。「6つの論文を手がけている間、世界中のEHTメンバーの計算ニーズに応えるために、東海岸と西海岸にある2つのグーグルのデータセンターで、20を超える強力な仮想マシンを動かしたときもありました」

それは本当にブラックホールの姿なのか？

われわれが見ることのできる宇宙の情報は、光や電磁波により伝達されて地球に届く。ブラックホールは非常に強い重力で、光も電磁波も取り込んでしまうため、われわれが見られるのはその周辺を旋回する高温のチリやガスだ。

「ブラックホールには“引き返せない場所”、すなわち『事象の地平線』と呼ばれる場所があります。そこからは光すら逃げ出すことはできません。その周りの光はわたしたちに届きますが、この事象の地平線ゆえに、真っ暗な穴が画像の中心部に残されるのです」と、フェリアル・オゼル教授は説明する。

研究チームが発表した画像は、ブラックホールそのものではなく、その強力な重力によりつくり出された周辺構造の様子だという。しかしそれは、まさにわれわれの想像にある通りの、貪欲に光を飲み込むブラックホールの姿ではないだろうか。「2017年に行われたM87の観測では、確かにこの“黒い穴”を見ることが出来ました」と、オゼルは付け加える。

数年かけて開発されたアルゴリズムが謎を解いた

この画像を最初に目にしただろうEHTチームの一員、ハーヴァード・スミソニアン天文物理学センターでポスドクとして従事するケイティ・ボウマン博士は、家族にすらひた隠しにしていたブレイクスルーを、ようやく公開できたことを喜んだ。3年前、マサチューセッツ工科大学でコンピューターサイエンスの大学院生だったときから、ブラックホールの画像を作成するアルゴリズムに取りかかっていたというボウマン博士は、会見で興奮気味に次のように語っている。

「この画像は本当にたくさんのことを教えてくれます。理論的には、ブラックホールがリング状に見えることが示唆されていましたが、まさかわたしたちの画像にもリング状の物体が現れるとは思いもしませんでした。ただの光のかたまりが写ると思っていたのですから！」

今回の成果を発表する会見は、研究チームが所属する米国や日本などの世界6カ所で同時に実施された。PHOTO: CHIP SOMODEVILLA/GETTY IMAGES

今回発表されたブラックホールの画像は、ボウマン博士のアルゴリズムによりレンダリングされたものだ。500kgのハードディスクが満杯になるほど大容量の生の画像データは、ノイズだらけで乱雑としており、それをひとつの整然とした画像として組み立てるアルゴリズムの作成には、実に数年を要した。

「リングが見えたこと、そしてその大きさが、まったく異なる測定方法でとられたデータと完全に一致したこと。それ自体が大きな科学的飛躍だと思います」と、話すボウマンは、EHTチームの一員としてリサーチを続けるかたわら、もうすぐカリフォルニア工科大学で計算数理科学の准教授として新たな門出を迎える予定だ。

やはりアインシュタインの一般相対性理論は正しかった

「もしアインシュタインが正しければ、われわれはブラックホールの“影”の形とサイズを非常に正確に予測することができます。実際、それはほぼ完全な円を描くはずです。われわれが観測したM87も、ほぼ完全な円形をしていました。よってアインシュタインの理論が誤っているという証拠はありません」と、ソルティス教授は言う。

今回発表された画像は、EHTが可能とするサイエンスのほんのひとつの例にすぎない。EHTは1.3mm電波と同時にX線とガンマ線でもブラックホールの観測をしており、これらの結果も待ち望まれる。

われわれの銀河の中心に位置するブラックホールのデータも取得済みで、これも分析待ちだ。ほかにも、M87に見られるブラックホールのジェットがいかにして生成されるのかの謎も、解明できるポテンシャルがある。

ブラックホールはついにその姿を露わにした。世界を熱狂させた“最初の画像”を可能にした物理学的法則は、宇宙のなかでも究極に非凡な「事象の地平線」においても、われわれの関心をよそに淡々と働いていた。100年越しに明確な答えが得られた、天文物理学的な問い。偉大なるアインシュタインは、またもや正しかったのだ。