ブラックホール解説：形成、動作、そして最終的に撮影された方法

ブラックホールはNASAによると、光を含めた何もが脱出できないほど強い重力を持つ天体として定義されています。ブラックホール周辺の帰還不可能な点は事象地平線と呼ばれています。その境界内では、脱出に必要な速度は光の速度を超えるため、それを越えたものは戻ってくることができません。

ブラックホールがどのように形成されるか

最もよく理解されている過程は恒星の崩壊です。NASAによると、太陽の約20倍以上の質量を持つ星は最終的に核の核燃料を使い果たし、自分自身の重力で崩壊します。その崩壊は超新星爆発を引き起こし、星の外層を吹き飛ばします。押しつぶされた核の残骸が約3太陽質量を超えている場合、NASAは崩壊がブラックホールまで継続することを止めることができる既知の力がないと述べています。

一度形成されると、ブラックホールは周囲のガスを引き込む、伴星から物質を奪い取る、または別のブラックホールと合体することによって成長することができます。NASAはそのブラックホール概要ページで説明しています。

銀河の中心に位置し、NASAによると約100,000から数十億の太陽質量に及ぶ超大質量ブラックホールは、理解が進んでいません。NASAは、銀河形成の最初の段階から存在していたように見えるため、それらの起源はまだ未解決の問題であることに注目しています。

事象地平線、特異点、およびブラックホールの部分

NASAのブラックホール「解剖学」の説明は、いくつかの異なるゾーンをリストアップしています。中心には特異点があり、それはNASAが無限密度に押しつぶされた物質として説明している点です。科学者たちは、これが物理的な構造なのか、それとも方程式の数学的な産物なのかは確実ではありません。それを取り囲むのが事象地平線で、脱出の不可能な境界です。さらに外側では、落ち込む物質からの光はブラックホールの周りを複数回公転することができ、ブラックホールの暗い「影」の周りに見える薄いリングを生成します。NASAはこの領域を光子球と呼んでいます。

ブラックホールに向かって落ちてくる物質は、通常、事象地平線を越える前に、熱く輝く降着円盤を形成します。多くのシステムでは、その物質の一部は代わりに、光の速度近くで移動する粒子のジェットにリダイレクトされます。超大質量ブラックホールではこれらのジェットは何十万光年も伸びることができます。NASAは述べています。

ブラックホールが存在することを証明する：ペンローズ、ゲンツェル、ゲズ

数十年間、ブラックホールはアインシュタインの一般相対性理論の数学的な結果であり、確認された物理的な現実ではなかった。スウェーデン王立科学アカデミーはロジャー・ペンローズに2020年ノーベル物理学賞の半分を授与しました。彼の1965年の証明は、アカデミー自身の発表に記載され、ScienceDailyで報告されたもので、十分に大きく、コンパクトな物体が崩壊した場合、ブラックホール形成が一般相対性理論の堅牢で回避不可能な予測であることを示し、そのような崩壊は必ず特異点を生成することを示しました。

その賞の残りの半分はラインハルト・ゲンツェルとアンドレア・ゲズが共同で受賞しました。彼らは世界最大の望遠鏡のいくつかを使用して、数十年間にわたって天の川の中心にある星の軌道を追跡するそれぞれのチームを率いていました。彼らの仕事はまた、ScienceDailyで報道されたノーベル発表に要約され、太陽系より大きくない領域に集中した約400万太陽質量の目に見えない物体を見つけ、超大質量ブラックホール（今いて座A*として知られている）の強力な証拠を見つけました。

検出不可能なものを検出する：重力波と直接画像

2015年9月14日、双子の高度LIGO検出器はGW150914と指定されたシグナルを記録しました。これは、2つのブラックホールが螺旋状に接近し、合体するという予測される波形と一致しています。LIGO科学協力団体自身の科学サマリーによると、2つのブラックホールは太陽の約36倍と29倍の質量を持ち、約10億光年以上離れた場所で、およそ62太陽質量の単一ブラックホールに合体しました。約3太陽質量が重力波エネルギーに1秒の一部で変換されました。検出は5シグマ以上の統計的有意性を持っていました。つまり、その強さの偽警報は比較可能なデータの約20万年ごとに予想されるでしょう。LIGOは報告しています。

4年後、事象地平線望遠鏡（EHT）協力団体はブラックホールの影の最初の画像をリリースしました。それはM87*（メシエ87銀河の中心にある超大質量ブラックホール）の画像です。NASAのジェット推進研究所が説明するように、EHTは世界中のラジオ望遠鏡を超長基線干渉法（VLBI）を使用して単一の仮想機器にリンクし、ハッブル宇宙望遠鏡よりも約4,000倍鋭い解像度を達成しています。2017年4月の観測キャンペーンが画像の背後にあり、2019年にリリースされました。M87*を約65億太陽質量で測定し、約5,300万光年離れています。

2022年5月12日、EHT協力団体は第2の画期的な画像をリリースしました。いて座A*（天の川自体の中央ブラックホール）です。AAS Novaで説明されているように、基になるデータは2017年4月に記録されました。つまり、観察と画像のリリースの間に5年以上経過したことになります。いて座A*は約400万太陽質量で、27,000光年離れています。つまり、空の中での見かけの大きさはM87*とほぼ同じに見えます。なぜなら、M87*は約2,000倍遠く、約1,500倍大きいからです。測定されたリングと影のサイズは両方とも、AAS Novaによると一般相対性理論の予測と一致していました。これは天文学者に、はるかに異なるブラックホール質量にわたってアインシュタインの理論の独立した確認を与えました。

物理学にとってこれが重要な理由

これらの結果はそれぞれ、アインシュタインが直接観測することができなかった領域において一般相対性理論をテストしています。極端な重力の下での物質と時空。GW150914からの重力波シグナルは、LIGOの分析によると、螺旋状接近、合体、および結果のブラックホールのその後の「リングダウン」の一般相対性理論によって予測された波形と一致しました。EHTが測定したM87*といて座A*の両方のリング直径は同様にAAS Novaによると一般相対性理論の予測と一致しており、科学者に2つの独立した確認方法を与えました。重力波と直接画像化は同じ理論的フレームワークに収束しています。