[비즈한국] 2019年、天文学者たちは巨大楕円銀河M87の中心にある超大質量ブラックホールの姿を捉えることに成功した。北極から南極まで地球全土に設置された電波望遠鏡を総動員した歴史的なプロジェクト「イベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）」による成果だ。その後2022年には、我々の銀河系中心にあるいて座A*（エースター）ブラックホールの撮影にも成功した。銀河系中心のブラックホールの方が距離ははるかに近いにもかかわらず観測に時間がかかった理由は、星や塵の雲の密度が高く、視界が厚く遮られており撮影がより困難だったからである。
ブラックホールの写真を撮るなどあり得ないと思うかもしれない。「ブラックホール（黒い穴）」という名前自体、重力が強すぎて光さえも脱出できないことから名付けられたのではないか？ では、光を一切放出しないブラックホールの姿を、一体どうやって写真に撮るというのだろうか？
その指摘は正しい。厳密に言えば、ブラックホールそのものを写真に撮ることは不可能だ。しかし、ブラックホールの「事象の地平線」の外側に漏れ出る光は十分に観測可能である。ブラックホールはその極めて強い重力で周囲の物質を引き寄せる。ブラックホールの傍らを高速で回る物質は、加熱されることで光を放つ。その光の痕跡を捉えたのが、2019年と2022年の観測画像である。
M87中心と銀河系中心のブラックホールは、いずれも特徴的な光の輪を見せている。中心部は真っ黒に空洞になっている。この中に、光さえ脱出できない宇宙で最も深い闇、事象の地平線が隠れている。事象の地平線に入り込んだものは、二度と外へは出られない。ブラックホール自体は点のような存在だが、天文学者は通常、ブラックホールの規模を比較する際、事象の地平線の大きさを用いる。残念ながら事象の地平線の内部で何が起きているのかは誰にも分からない。その代わり、ブラックホール周辺の極端に歪んだ時空に沿って飛来した光の輪を見ることができる。オレンジ色のドーナツのように見えるものが、人類が確認したブラックホールの「影」である。
イベント・ホライズン・テレスコープが観測したデータは、現在誰でも閲覧できるように公開されている。しかし最近、このアーカイブデータを新たに解析した一部の天文学者たちが興味深い問題を提起した。広く知られているオレンジ色のドーナツ型ブラックホール画像は、実は誤りであるという主張だ。彼らは、イベント・ホライズン・テレスコープチームが作成したようなオレンジ色のドーナツ型画像を再現できなかったと述べている。私たちが目にしたブラックホールの証拠写真は、本当に間違っているのだろうか？
イベント・ホライズン・テレスコープが狙った2つのブラックホールは、実際には空の中で非常に小さく見える。銀河系中心のいて座A*ブラックホールは、太陽質量の約400万倍の質量を持つ。このブラックホールの事象の地平線のサイズは、わずか1億6000万km程度だ。水星の公転軌道の直径ほどしかない！ ところが、このブラックホールは地球からなんと2万7000光年も離れている。地球の空から見ると、このブラックホールの事象の地平線は、わずか0.00001度という、まさに点のような大きさでしかない。簡単に例えるなら、月の距離にある小さなドーナツを見るようなレベルだ。M87中心のブラックホールも同様である。
これほど小さな天体を鮮明に識別するには、非常に巨大な望遠鏡が必要となる。ほぼ地球サイズに匹敵する巨大な「お皿」が必要なのだ。もちろん、そんな巨大な望遠鏡を作ることはできない。そこで天文学者たちは、地球全土に分散した電波望遠鏡の観測データを同期させて統合する手法を選択した。このように複数の電波望遠鏡で同一の天体を観測する手法を「電波干渉計」と呼ぶ。
ただし、電波干渉計には宿命的な限界がある。理想的な方法は地球の面積すべてを電波望遠鏡で埋め尽くすことだが、それは不可能だ。そのため、巨大な電波干渉計には所々に隙間が生じる。いくつもの鏡の破片を集めて1枚の滑らかな鏡を作るのではなく、穴の空いた鏡で覗き見ているようなものだ。そこで天文学者たちはAIアルゴリズムを活用し、埋められなかった鏡の破片の隙間に何が映っていたかを推測してブラックホールの画像を完成させた。
最近、三好真氏ら日本の天文学者チームは、イベント・ホライズン・テレスコープの観測データを利用し、2022年に公開された銀河系中心ブラックホールの画像を同じように再現できるかを分析した。その結果、有名なオレンジ色のドーナツ型画像を再構築することができなかった。代わりに、輪の形ではなく、単なる一つの塊のような画像が生成された。このことから、従来のイベント・ホライズン・テレスコープの観測データのみでは、ブラックホール周辺の光の輪と事象の地平線を鮮明に区別することは不可能であるという問題が提起された。
彼らが提起する問題の核心の一つは、従来のブラックホール画像で再現された光の輪の大きさが、イベント・ホライズン・テレスコープが分解できる限界とほぼ同じであるという点だ。
天文学では、光源から飛来した光がどれだけ広がって見えるかを「点像分布関数（PSF：Point Spread Function）」で表す。本来は一点に見えるはずの光が、望遠鏡を通ることで四方八方に丸くぼやけて見える。この形態をPSFと呼ぶ。今回問題を提起した研究陣は、当時の観測に使われた望遠鏡の配置や性能を考慮すると、像がどれだけぼやけうるかというPSFの限界値が、写真に写った光の輪とほぼ重なることを指摘する。そのため、鮮明な光の輪というよりも、一つに潰れた染みのように見えるはずだと主張している。
特に、従来のイベント・ホライズン・テレスコープチームが画像を再構成するために使用したAIアルゴリズムの過程で、一種の誤りが発生したと主張する。当時、同チームは理論的に構築したブラックホールの画像モデルに基づき、観測データを再構成した。しかし、そもそも理論的に導き出されたモデル画像自体が、最も理想的な状況を想定した光の輪の形状であった。したがって、実際の観測性能や限界に適合しない「理想的な輪の画像」を基にアルゴリズムを学習させたため、実際には観測されていない輪の形が、擬似的に生成された可能性があると指摘している。
2022年6月、イベント・ホライズン・テレスコープの研究チームは初めて三好氏チームの問題提起に対し公式回答を掲載した。彼らは自身の観測結果に対する公開検証は歓迎するものの、三好氏らのチームが観測結果を誤解していると反論した。ただし、詳細な説明は省かれた。その後、三好氏チームはM87銀河中心ブラックホールの画像分析においても致命的な問題があり、同様に「光の輪は実際に観測されていない虚像である」とする趣旨の論文を発表し、イベント・ホライズン・テレスコープチームに対し、さらなる詳細な反論と根拠を提示するよう要求した。
その後数ヶ月間、イベント・ホライズン・テレスコープチームは沈黙を守っていたが、2024年10月29日、公式ブログに三好氏チームの分析に反論する詳細な文章を投稿した。
まず、イベント・ホライズン・テレスコープの研究チームは、三好氏チームが銀河系中心ブラックホールの「変動性」を十分に考慮していないと指摘した。銀河系中心のブラックホールは、M87中心のものに比べ質量や規模がはるかに小さい。それだけ周辺の事象の地平線サイズも小さく、ブラックホールに捕らえられた物質も高速で回転する。ブラックホール周辺の光もより激しく揺らぎ、常に姿を変えている。実際、いて座A*周辺の光は、ほぼ10分単位で揺らぐと推定される。イベント・ホライズン・テレスコープチームは、こうした変動性まで全て考慮し、時間の経過に伴うブラックホールの画像を一枚ずつ再構成したと明らかにした。一方、三好氏チームの分析はそのような変動性を十分に考慮できていないと反論した。
また、その後に実施された偏光観測において、ブラックホール周辺の光の輪が存在する証拠が確認されたとも提示した。実際に同チームは、ブラックホール周辺の偏光を観測し、磁場がどのようにねじれているかを示す証拠を公表したことがある。これを通じて、三好氏チームの反論に再反論を加えた。
とはいえ、イベント・ホライズン・テレスコープチームも一歩引いた慎重な姿勢を見せている。彼らは三好氏チームの主張に反論しながらも、「イベント・ホライズン・テレスコープチームの解釈を支持しない別の外部分析もある」という事実を認めている。実際、現在では三好氏のチームだけでなく、いくつかの独立した研究チームが、既存の輪型ブラックホール画像は歪んだ結果である可能性があると指摘している。ブラックホール周辺に輪状の事象の地平線が全くないということではなく、今の望遠鏡の性能では輪状の事象の地平線まで見るのは不可能であるにもかかわらず、「輪の形である」という期待の下で学習させたアルゴリズムを使用した結果、「見たいものを見てしまった」状況ではないかという指摘だ。
21世紀人類の最も偉大な科学的成果の一つとされるブラックホール撮影、その歴史的な写真が、もしかすると誤った写真かもしれないとは！ まだどちらの言い分が正しいかを判断するのは時期尚早だ。ただ、この論争を「ブラックホールそのものが存在しない」ということと誤解してはならない。オレンジ色のドーナツ型画像を支持する側も支持しない側も、宇宙にブラックホールという怪物が存在するという事実に疑いを挟む者はいない。問題は、私たちが撮影したその怪物の肖像画が実際にどのような姿なのか、私たちが知っていた肖像画が本当に正しいのかという点にある。
結局、オレンジ色のドーナツ型ブラックホール写真が誤った結果だと判明したとしても、失望する必要はない。むしろ、データを隠すことなく公開し、誰でも検証できるようにしたイベント・ホライズン・テレスコープチームの姿勢を高く評価したい。これは、より正確なブラックホールの姿を描き出すための過程に過ぎないのだ。オレンジ色のドーナツ型ブラックホール写真は、最後までブラックホールの決定的な証拠として残るだろうか、それとも「一時的に誤解された歪んだ姿」として記憶されるのだろうか。これからも天文学者たちは、歴史的なブラックホールの「認証ショット」を記念しながら、ドーナツを食べ続けることができるのだろうか？
現在、イベント・ホライズン・テレスコープチームは、さらなる望遠鏡の投入に加え、電波帯域での宇宙望遠鏡による観測も計画しており、はるかに鮮明な分解能でM87と銀河系中心のブラックホールを追観測する計画を立てている。さらに、単なる写真で終わらせるのではなく、ブラックホール周辺の光の輪がリアルタイムでどのように揺らぐのか、物質の変動性を動画のように撮影する試みまで計画している。追加観測が進めば、最近過熱しているブラックホール画像論争にも決着がつくだろう。
参考文献
https://academic.oup.com/mnras/article/534/4/3237/7660988?login=false
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac6ddb
https://eventhorizontelescope.org/blog/imaging-reanalyses-eht-data
https://eventhorizontelescope.org/blog/response-independent-analysis-ehtc-imaging-sgr-miyoshi-et-al-2024
執筆者 Ji Woong-baeは？ 猫と宇宙を愛する。子供の頃「銀河鉄道999」を見て、宇宙の美しさを伝える夢を持つ。現在、延世大学銀河進化研究センターおよび近宇宙論研究室で銀河の相互作用による進化を研究しており、講演や執筆など多様な科学コミュニケーション活動を行っている。『サム（Some）乗る天文台』、『一日中宇宙を考える』、『星、光の科学』などの著書がある。