ブラックホールのより鮮明な画像が近々公開される予定。映画化もされるかもしれない

イベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）プロジェクトは、2019年にメシエ87銀河の中心にある超大質量ブラックホールM87*の史上初の画像が公開されたことで、世界中の注目を集めました。しかし、EHTは実際には2009年に運用を開始しており、15年間の運用は、EHTの画像の背後にある技術である超長基線電波干渉法（VLBI）の着実な改良のプロセスを表しています。

これまでのところ、そのプロセスは主に EHT の既存の機能を最大限に活用することに費やされてきた。しかし、8 月 27 日にThe Astronomical Journalに掲載された新しい論文で説明されているように、それらの機能の大幅なアップグレードが間近に迫っている。論文では、345 GHz の周波数での光で行われたテスト観測の成功が報告されている。これは、EHT が現在動作している 230 GHz から大幅に改善されたものである。これは、VLBI の高周波光測定能力が数十年ぶりに向上したことを意味し、EHT の将来の画像品質を向上させる上で重要な要素となる。

345 GHz で画像を撮影できるようになると、EHT は M87* のような遠方の天体の画像を非常に詳細に撮影し、合成多色画像を作成することができ、さらに、EHT の計画されたアップグレードが完了したら、これらの天体の動画を撮影できるようになる可能性があります。論文に添付された資料には、このような合成画像がどのように見えるかのシミュレーションが含まれていました。

論文の主執筆者であり、EHT プロジェクトの創設ディレクターでもあるシェパード・ドールマン氏は、この進歩は月面着陸成功への道程における重要なマイルストーンの一つに匹敵するとポピュラーサイエンス誌に語っている。「これは、フランク・ボーマン、ジェームズ・ラヴェル、ウィリアム・アンダースを月周回軌道に送り込み、有名なブルーマーブルの写真をもたらしたアポロ 8 号のミッションのようなものです。[まだ]道のりは長いですが、もうすぐそこです。」

VLBI は、同じ対象物に向けられた望遠鏡の地球規模の配列を使用して機能します。各望遠鏡間の距離は、対象物からの光が各センサーに到達する時間がわずかに異なることを意味します。つまり、この光の波面は、その周期内のわずかに異なる時点で各望遠鏡に到達します。望遠鏡の画像を組み合わせると干渉パターンが生成され、それを使用して、単一の望遠鏡で測定できるレベルよりも詳細な単一の画像を再構築できます。VLBI では、複数の観測所が単一の巨大な望遠鏡として機能できるため、EHT は「地球サイズの望遠鏡」とよく言われます。

あらゆる望遠鏡の基本原理は、遠くの物体を解像する能力を決定する 2 つの重要な要素、つまり、望遠鏡のサイズと測定できる光の周波数であるということです。EHT は、その性質上、基本的な光学望遠鏡よりもはるかに複雑ですが、この原理は同じままです。また、付属の声明が指摘しているように、「EHT はすでに地球と同じ大きさであったため、地上観測の解像度を高めるには、周波数範囲を拡大する必要がありました。」

しかし、これを実現するのは極めて困難でした。M87*の画像と、3年後に公開された天の川銀河の中心にある超大質量ブラックホール、いて座A*の類似画像は、どちらも波長1.3mmの光を使用して生成されました。これは周波数230GHzに相当します。(光の波長が短いほど周波数は高くなります。これは、光の波のピーク間の距離が短いほど、一定時間内にセンサーに到達できるピークの数が増えることを意味します。)

この波長は数十年にわたって VLBI の最先端を代表してきた。このレベルでの最初の測定は 1989 年に行われ、論文で説明されているように、EHT の解像度を向上させる作業の多くは、望遠鏡の配列のサイズを拡大し、それらの望遠鏡のセンサーの感度を向上させることによって達成された。

これが、この新しい論文が極めて重要な理由です。この論文では、25 年ぶりに測定可能な VLBI 波長が改善されたことが説明されています。著者らは、345 Ghz の周波数に相当する 870 µm (0.87 mm) での複数の測定成功を報告しています。これにより、EHT の角度分解能が約 50% 向上し、1.3 mm で撮影したものよりも鮮明で詳細な画像を撮影できます。また、より鮮明な新しい画像と、より長い波長で撮影した画像を組み合わせて、複合マルチカラー画像を作成することもできます。

論文では、1.3mmを超えるのがなぜそれほど難しいのかも説明されている。地球の大気は、1.3mmよりも870µmでより多くの光を吸収する傾向があるため、この低波長の光はEHTアレイのセンサーに届きにくくなる。大気の干渉により、地上に届く光はノイズが多く、減衰も大きくなる。さらに悪いことに、望遠鏡の効率は高周波数では低下する。

これらの課題は技術の進歩によって克服されました。論文では「超伝導体-絶縁体-超伝導体 (SIS) 接合の着実な改善」が「帯域幅と [受信機] 感度の向上の基礎となり」、870 µm 試験観測の成功に決定的な役割を果たしたと述べられています。しかし、EHT が「独立した観測所の共通の国際的取り組み」であるという性質上、世界的な協力とコミュニケーションの重要性も強調されています。870 µm 測定を成功に導く重要な要素の 1 つは、宇宙時代の技術というよりもむしろ平凡なものでした。つまり、各観測が最適な天候で行われるようにしたのです。

EHT の計画中のアップグレードは、総称して「次世代 EHT」(ngEHT) と呼ばれ、さらに国際的な協力体制が重視され、アレイにさらに多くの観測所を追加し、複数の波長を使用して同じ画像を撮影できるようになります。ドールマン氏は、この成果は「ブラックホールの動画をフルカラーで高解像度で撮影するための足がかりです。非常に大きな一歩です!」と述べています。