恒星の軌道からブラックホールの影へ
いて座A*は天の川銀河の中心にある超大質量ブラックホールである。直接見ることのできない天体を確かめるため、天文学者は周囲を回る恒星の軌道、高温ガスが放つ電波、強い重力によって曲げられた光を順に読み解いた。その歴史は「ブラックホールの写真1枚」ではなく、異なる観測が同じ結論へ収束していった過程である。
- 距離
地球から約2万6,700光年 - 質量
太陽の約415万倍 - S2の公転周期
約16年 - EHTリングの直径
51.8 ± 2.3マイクロ秒角
銀河中心はなぜ見えなかったのか
いて座の方向へ約2万6,700光年さかのぼると、天の川銀河の中心に至る。しかし、その途中には可視光を遮る厚い星間塵が横たわっている。天文学者は塵を比較的通り抜けやすい赤外線と電波で中心部を観測した。1974年、銀河中心で非常に小さく強力な電波源が発見され、のちにいて座A*、略してSgr A*と名づけられた。
電波源が明るいという事実だけで、ただちにブラックホールと断定することはできなかった。決定的な手掛かりは周囲の恒星がもたらした。見えない一点の周りを恒星が高速で回っていれば、軌道の大きさと速度から中心にある質量を計算できるからである。
S2が描いた見えない質量
代表的な恒星S2は約16年でSgr A*を一周する。最接近時の距離は約120 AU、すなわち地球と太陽の距離のおよそ120倍にすぎず、速度は毎秒約7,700 km、光速の約3%に達する。S2とほかの恒星の位置を数十年にわたって精密に追跡した結果、太陽約400万個分の質量がS2の軌道内側のごく狭い領域に集中していることが分かった。
2018年のS2最接近では重力赤方偏移が観測され、続いて軌道の近点が一周ごとにわずかに前進するシュヴァルツシルト歳差も確認された。ニュートン力学の閉じた楕円ではなく、一般相対性理論が予測するロゼット状の軌道が現れたのである。この長期観測は銀河中心の超高密度天体を明らかにし、ラインハルト・ゲンツェルとアンドレア・ゲズは関連する功績により2020年のノーベル物理学賞を共同受賞した。
Sgr A*の存在は1回の撮影で判明したのではない。まず恒星の軌道が質量を量り、相対論的効果が重力場を検証し、最後にEHTが事象の地平面スケールの構造を分解した。
EHT画像は何を写したのか
イベント・ホライズン・テレスコープは単一の望遠鏡ではない。2017年4月、世界8か所の観測所にある電波望遠鏡が波長1.3 mmで同じ天体を観測し、超長基線電波干渉法によって地球サイズの仮想望遠鏡を構成した。原子時計で同期した膨大なデータを統合した成果が2022年に公開された。
画像のオレンジ色のリングは、ブラックホールの表面でも事象の地平面そのものでもない。周囲の高温プラズマが放つ電波が強い重力で曲げられ、複数の経路から集まることで明るいリングをつくる。中央の暗い部分は事象の地平面より大きく見えるブラックホールの影であり、光が捕らえられる領域と、その周囲で光が不足することによって生じる。観測された太いリングの直径51.8 ± 2.3マイクロ秒角は、約400万太陽質量のカー（Kerr）ブラックホールを仮定した一般相対性理論の予測と一致した。
近いのにM87*より難しかった理由
Sgr A*はM87銀河のブラックホールよりはるかに近いが、画像化はより困難だった。どちらのブラックホールの周囲でもガスは光速に近い速度で動くが、Sgr A*は質量も大きさもはるかに小さいため、ガスがリングを一周する時間は数分しかない。地球各地の望遠鏡が数時間かけてデータを集める間にも、対象の明るさと構造が変わり続けたのである。
したがって公開された成果は、静止した一瞬を撮った通常の写真ではない。研究チームは時間変動の異なるモデルを含む多数の再構成画像を作り、独立した複数のアルゴリズムに共通して残るリングと中央の減光を代表画像にまとめた。EHTのデータと解析手順も公開され、独立した再解析が可能になっている。
静かだが、止まってはいない
Sgr A*はほかの銀河の活動銀河核と比べると、非常に暗く穏やかである。周囲の物質を無差別に吸い込む宇宙の掃除機ではなく、十分近づいた少量のガスだけを降着させる。安全な距離にある恒星は、同じ質量の別の天体を回る場合と同様に安定した軌道を保つ。ただし内側へ入ったプラズマは加熱され、急速に変化し、ときおり赤外線やX線のフレアを放つ。
2024年のEHT偏光画像は、影の近くに強くねじれた、比較的秩序ある磁場が存在することを示した。この構造がはるかに大きなM87*周辺の磁場と似ていることは、超大質量ブラックホールが物質を取り込み、流出を生み出す物理が大きさにかかわらず似ている可能性を示す。ただしSgr A*のジェットはまだ確認された事実ではなく、観測で検証すべき仮説である。
観測証拠の読み方
| 観測 | 直接分かること | 解釈上の注意 |
|---|---|---|
| S2と中心恒星の軌道 | 中心質量と距離、強い重力場での相対論的効果 | ブラックホールの表面を見た観測ではない。 |
| EHT全強度画像 | 事象の地平面スケールのリングと中央の減光 | オレンジ色のリングは固体表面ではなく、電波放射の再構成である。 |
| EHT偏光画像 | プラズマに絡む磁場の向きと秩序 | 隠れたジェットの可能性は、ジェットそのものの検出とは異なる。 |
数値は観測モデルと不確かさを含む近似値である。特に「影」「事象の地平面」「明るいリング」は同じ境界を指すものではない。
出典
- Event Horizon Telescope Collaboration — First Sagittarius A* EHT Results I
- Event Horizon Telescope — First image of the Milky Way black hole
- ESO — S2 Schwarzschild precession around Sagittarius A*
- NASA — What is the center of our galaxy like?
- Event Horizon Telescope — Polarized view of Sagittarius A*