天文学者は望遠鏡の「サングラス」を使ってブラックホールの磁場を撮影した

ブラックホールは、概念的に深い謎を抱えているにもかかわらず、宇宙の巨大天体の中で最も単純です。回転するものもあれば、電荷を持つものもあります。そして、すべてが質量を密集して完全に暗くなり、光さえも閉じ込める重力を及ぼします。測定できるものはほとんどなく、観察できるものもさらにほとんどありません。

しかし、本物のブラックホール、特にほとんどの銀河の中心に潜む超大質量の怪物は、暗くて単純なものではありません。ブラックホールの最初の写真は2019年まで作成されず、天文学者はそれを撮影するために地球全体に広がる望遠鏡のネットワークを使用しなければなりませんでした。その特定のブラックホールは、地球から5500万光年離れたM87銀河の中心、渦巻く高温ガスの頂点にあります。この物体は空に輝く小さな点​​であるため、写真を撮るのは本当に偉業でした。

[関連: ブラックホールに落ちたらどうなるのか?]

M87 のブラックホールは、直径約 0.02 光年という太陽系と同等の面積を占めているにもかかわらず、上下 10,000 光年にも及ぶ強力な粒子ジェットを噴射しています。これらのジェットは、銀河系内のすべての星を合わせたのとほぼ同じ速さでエネルギーを燃焼します。

「これは全宇宙で最も強力なプロセスです」と、オランダのラドバウド大学の天体物理学者で、M87のブラックホールを撮影した共同研究メンバーであるサラ・イサウン氏は言う。「そして、それがどのように起こるのか、私たちはまだよくわかっていません。」

「美しい」ブラックホールデータ

今、私たちはもう少しだけ分かっている。イサウン氏とイベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）共同研究チームを構成する約300人の研究者たちが、国際デビューから2年とパンデミックを経て、最新の画像を持って戻ってきた。この最新の写真は、宇宙で最も強力なジェットを発射する原因であると考えられている力場であるブラックホールの、これまで見えなかった側面を捉えている。

「素晴らしいデータだ」と、超大質量ブラックホールを専門とし、今回の研究には参加していないスタンフォード大学の天文学者エンリケ・ロペス・ロドリゲスは言う。「彼らは初めてブラックホールの事象の地平線付近の磁場を測定したのだ。」

重力が唯一の力である現実では、ブラックホールはずっと暗いままである。しかし、ブラックホールがほぼ光速で銀河全体に粒子を撒き散らしているという事実は、何か他のものが関係していることを強く示唆している。「重力だけでは説明できません」とロペス・ロドリゲスは言う。「別の力が必要です。」

目に見えない磁場

研究者たちは何十年もの間、広大なスケールでこれほど大きな影響を及ぼせる唯一の力である磁気が原因に違いないと信じてきた。しかし、天文学者が星や銀河を動かすのを観察できる重力を除けば、磁気は基本的に目に見えない。冷蔵庫のマグネットを一束発射して漂うのを観察する以外に、研究者が遠くの磁気を判別できるのは、電子や陽子などの荷電粒子の動きを通してのみである。

M87 の超大質量ブラックホールを取り囲むタイヤ型の雲は、主にプラズマでできている。プラズマとは、原子が引き裂かれて、まさにそのような荷電粒子の集まりになった物質である。ブラックホールの磁場によってそれらがらせん状に回転すると、特定の方向、つまり「偏光」で波打つ光を放つ。その偏光が数百万年後に地球上の EHT 施設に到達すると、共同研究メンバーは粒子が通過した磁場の大まかな地図を再構築できる。

[関連: ブラックホールの初めての直接画像はこちら]

効果は微妙です。新しい画像は、有名な 2019 年のブラックホール画像と同じデータに基づいていますが、偏光のみを選択するフィルターが適用されています。偏光サングラスを通して見ているような感じです。

共同研究メンバーが実際に偏光画像を初めて見たのは、元の画像が公開されてからわずか3か月後のことだった。しかし、EHTの機器は近くの偏光光も取り込んでおり、研究者が地球の光子とブラックホールの光子を適切に分類できたかどうかを確認するのに時間がかかった。

「2年間のプロセス全体は、私たちが見ているものが現実であることを確認することに費やされました」とイサウン氏は言う。

フィルタリングを5重にチェックする5つの方法を開発した後、研究チームは偏光が本物であると確信している。研究チームは水曜日、天体物理学ジャーナルレターズ誌に2つのレポートを掲載し、その結果を発表した。

ブラックホール理論を捨てる

偏光画像は予想外の発見をもたらした。共同研究チームの理論家たちはスーパーコンピューターで40回のシミュレーション（それぞれ約1週間）を実行し、ブラックホールの挙動の3D動画を作成した。次に、電子の速度や視野角の違いなど、さまざまなバリエーションを考慮し、ブラックホールの磁場の妥当なマッピングを7万枚作成した。最終的に、これらの理論画像と実際の画像を比較したところ、一致したのはわずか72枚だった。

「[可能性のある行動]をこれほど劇的に絞り込んだのは非常に驚きでした」とプリンストン大学の天体物理学者でEHTのメンバーであるアンドリュー・チェール氏は言う。

生き残ったシミュレーションは、ブラックホールの磁場の幅広い特徴を浮き彫りにし、ジェットの起源に関する長年の議論に答えている。

磁場とブラックホールジェットの誕生

非常に強い磁場は、ドーナツに刺さったプレッツェルの棒のように、プラズマ ディスクから外側に硬く突き出ている。一方、弱い磁場はプラズマとかき混ぜられ、急降下する円形のパターンを形成する。EHT 共同研究チームは、その中間のものを観測した。それは、磁束密度の測定単位で 1 から 30ガウスと推定される、かなり強い渦巻状の磁場である。これは、M87 ブラックホールの磁場が地球の磁場の数十倍強いことを意味する。

M87の超大質量ブラックホールの周囲を渦巻く磁気の強さは、その磁場が磁気停止と呼ばれる特定の方法でジェットを発射していることを示唆している。

磁場は荷電粒子の動きから生じます。冷蔵庫の磁石がくっつくのは、電子が一緒に回転しているからです。そのため、プラズマがブラックホールの赤道に向かって螺旋状に移動すると、赤道周辺の磁場が強くなります。磁場が蓄積するにつれて、さらなる荷電粒子の流入が「阻止」または停止し、最終的に非常に強くなり、力場がブラックホールの上下に溢れ出て、ジェットを排出します。新しい偏光画像は、この激しい噴出が M87 の中心部で起こっていることを示唆しています。

「純粋な検出は本当に素晴らしい」とロペス・ロドリゲス氏は言う。「これは、ジェットがどのように形成されるかという非常に重要な疑問に答え始めるきっかけとなる。」

しかし、M87の超大質量ブラックホールは、サンプル数としてはわずか1つに過ぎない。今後数年間、共同研究チームは、天の川銀河の中心にある超大質量ブラックホールを直接撮影し、さらに改良した理論をより遠くのブラックホールジェットの形状と比較することで、サンプル数を増やすことを目指す。

「そのつながりを築こうとすることで、私たちは多くの教訓を学ぶことになるでしょう」とチャエル氏は言う。