ブラックホールは、存在しないかもしれない存在であるにもかかわらず、現代物理学にとって非常に大きな役割を果たしています。これらのコンパクトな質量領域は、光さえもその重力場から逃れられないほど高密度であり、一般相対性理論の主要な基盤であり、銀河の仕組みに関する私たちの理解の多くを支えています。実際には見たことのない現象に、これほど多くのことを要求するのは、実に大変なことです。
とはいえ、ブラックホールを観測するというのは、定義上、実現が難しいアイデアです。反射光がないためブラックホールは見えず、さらに興味深い超大質量ブラックホールは銀河の中心に隠れているという事実が、問題を複雑にしています。ブラックホールの画像を撮影するには、地球ほどの大きさの望遠鏡を建造する必要があります。そして、まさにそれを、MITヘイスタック天文台の副所長であるシェパード・ドールマン氏と、イベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）の同僚たちが試みているのです。
惑星ほどの大きさのデータ収集面を持つ仮想の望遠鏡。EHTは、ブラックホール、特にいて座A*の初めての写真を撮ることを目的とした国際プロジェクトです。いて座A*は、私たちの天の川銀河の中心に潜んでいると考えられているブラックホールの場所です。アインシュタインの一般相対性理論によれば、ブラックホールはそこに存在し、近傍の銀河構造の他の観測結果もその存在を強く示唆しています。アインシュタインは、ブラックホールがどのように見えるかさえ予測していました。しかし、実際に初めてブラックホールを見ることで、時空そのものの本質についてさまざまなことがわかるようになり、また、私たちの宇宙の中心で相対性理論が破綻しているかどうかもわかるでしょう。本質的に、ブラックホールの画像を撮影することは、一般相対性理論そのもの、つまり私たちが知る現代物理学の試練なのです。
「ブラックホールはまだ理論上の概念で、宇宙の世界におけるユニコーンのようなものです」とドールマン氏は言う。「ブラックホールの存在を示す非常に確かな証拠があり、最良のテストケースは私たちの銀河系の中心にあります。そこには太陽の400万倍の質量を持つブラックホールが潜んでいることはほぼ確実です。しかし、私たちはまだそれを観測していません。アインシュタインの正しさを問うには、宇宙で最も過酷な環境、つまりブラックホールの境界まで足を運ぶ必要があります。」
そこに到達するには、新しい技術と従来の手法、そして今後数年かけて稼働予定の最新の電波望遠鏡アレイの導入を融合させる必要がある。しかし、ドールマン氏とEHTを構築する様々な協力者たちは、ほんの数年前には考えられなかったことが、今や手の届くところにあると確信している。長年実証されてきた天文学的手法が、テクノロジーの進歩によって、アインシュタインが構想した重力の最も激しい発現を初めて垣間見ることができるツールへと変貌を遂げたのだ。
この技術は超長基線干渉法（VLBI）と呼ばれ、EHTチームはこの技術によって、実際に何も建設することなく地球サイズの望遠鏡を建設することが可能になりました。世界中の電波望遠鏡からのデータをスーパーコンピューターに入力することで、地球全体の大きさの撮像領域を持つ望遠鏡を構築し、天の川銀河の中心部まで直接見通せるほどの解像度で電波波長の画像を撮影することができます。
VLBIをこのように考えてみてください。あなたは銀河の中心に立ち、天の川銀河の遥か彼方にある地球を見ています。地球を鏡だと想像してみてください。ただし、表面の電波望遠鏡アレイがある部分だけが磨かれており、この惑星サイズの鏡の残りの部分は黒く塗られています。磨かれた部分だけがデータを収集できる鏡の唯一の部分です。このまばらな鏡では、反対側から覗き込む人に完全な画像を提供することはできません。
しかし、地球が自転しているところを想像してみてください。レンズの磨かれた部分、つまりデータ収集部品は、鏡の暗い部分をゆっくりと移動し始め、地球の自転と季節的な傾きが続くにつれて、鏡面上の様々な地点からデータを収集します。最終的に、世界中に多数設置されている望遠鏡は、このレンズのあらゆる位置からデータを収集しますが、すべてが同時に収集されたわけではありません。数ヶ月、数年かけて、このデータは地球サイズの望遠鏡の鏡で捉えられるものとほぼ同等の、かなり詳細な画像をつなぎ合わせるのに十分な量になります。
それがVLBIです。EHTは多数の望遠鏡からのデータを連携させることで、惑星ほどの大きさのデータ収集面を持つ仮想望遠鏡を構築できます。データは水素メーザー原子時計によってタイムスタンプが付与されるため、十分な計算能力があれば、すべての電波データを一枚の図にきれいにつなぎ合わせることができます。そして、十分な時間が経ち、より多くの電波望遠鏡が稼働するにつれて、その図はますます鮮明になっていきます。
少なくとも、ある程度までは。VLBIは天文学者によって何十年も利用されてきましたが、EHTのような取り組みは以前は不可能でした。当時は技術がまだ整っていなかったのです。今はまだそこまでには至っていませんが、ドールマン氏とEHTの同僚たちがデータ収集を始められるほどには、もうすぐそこまで来ています。
「5年前には不可能だった測定が可能になりました」とドールマン氏は語る。「過去5年間で、非常に高い周波数でVLBIを実施するための機器を開発し、非常に優れた解像度を実現しました。また、今では非常に広い帯域をカバーできるようになりました。数百メガヘルツではなく、数ギガヘルツもの帯域をカバーできるのです。これは、ブラックホール自体から放出されるエネルギー、つまり光子の数が増えることを意味します。つまり、感度が大幅に向上するということです。つまり、感度の向上と地球周辺の望遠鏡の増加が相まって、5年前には不可能だったことが可能になったのです。この技術は今や、新しいシステムを構築するのではなく、実装する段階に達しています。」
この技術進歩の大きな柱となるのは、チリ北部で今後数年間に稼働予定のアタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計（ALMA）です。ALMAの66基の高精度アンテナは、VLBIの縮図とも言える巨大な電波望遠鏡へと統合され、地球上で最も感度の高いサブミリ波観測施設となります。
「これにより、イベント・ホライズン・テレスコープの感度は一気に10倍に向上します」とドールマン氏は言う。「そして、非常に微細な細部を観測する能力も2倍に向上するでしょう。」
しかし、光さえも逃がさないブラックホールを観測する場合、EHTは一体何を観測するのでしょうか？ 一見すると画像化できないものを、どのようにして画像化できるのでしょうか？ これにも、アインシュタインは答えを持っています。
「ブラックホールの重力場は非常に強力で、あらゆる塵やガス、物質を引き寄せます」とドールマン氏は言う。「しかし、ブラックホールはあらゆる物質を非常に小さな空間に押し込もうとするため、非常に高温になり、X線、可視光線、電波といった形で放射を始めます。スペクトル全体にわたって非常に明るい放射源なのです。」
言い換えれば、ドールマン氏は、ブラックホールが「厄介な食べ物」であるがゆえに、我々はそれを目にすることになる、と述べています。ブラックホールは放射物質で囲まれており、まだブラックホールに落ち込んではいないものの事象の地平線で輝いている「光るスープ」のようです。しかし、これが正確にどのように見えるかは不明であり、相対性理論によれば、それがどのように見えるかを正確に示しているため、これは相対性理論に対する刺激的な検証となるでしょう。アインシュタインは、ブラックホールでは重力が非常に強いため、周囲の光がレンズのように曲がるはずだと理論づけました。そのため、その光るスープから見える光の一部は、ブラックホールの前面から自然に我々に届きますが、同時に、ブラックホールの周囲に光が曲げられるため、通常であれば逆方向に進むはずの背面からの光も我々に見せることになります。
相対性理論が正しければ、生成される画像には、中央の薄暗い空間を包み込む、完全に円形の光のリング（ブラックホールの周りを屈曲するレンズ効果を受けた光の輪）が映し出されるはずです。アインシュタインはこの中心の暗い点を「影」と呼びました。最近ツーソンで開催されたEHTパートナー会議では、出席した物理学者と理論家全員が、その影を発見すること、そしてアインシュタインの予測を検証または反証することが科学的最優先事項であるべきだという点で一致しました、とドールマン氏は言います。結局のところ、たった一枚の画像で、ブラックホールの存在を最終的に証明できるだけでなく、私たちの銀河系や宇宙の他の場所にある銀河系の中心で何が起こっているかについて、私たちが理論的に知っていることのすべてを裏付けたり、完全に覆したりできる可能性があるのです。
「私たちは、この強い重力の影響を示す画像、つまりこの影を狙っているんです」とドールマン氏は言う。「ついに写真を撮れて、この影が見えたら、きっと驚くべき、心を揺さぶるような結果になるでしょう。」
