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ブラックホール


史上初のブラックホール撮影、成否は数カ月後

世界8カ所の天文台をつないだ地球サイズの望遠鏡による観測が終了

天文学者たちは、ついにブラックホールの撮影に初めて成功した可能性がある。厳密に言えば、ブラックホールの本体ではなく、それを取り巻く「事象の地平線」と呼ばれる不思議な領域だ。ひとたびこの境界線を越えると、光さえブラックホールの魔の手から逃れられなくなる。

5夜にわたった最後の観測が終わったのは午前11時22分。米マサチューセッツ工科大学ヘイスタック観測所のビンセント・フィッシュ氏は、満足した様子でオフィスの椅子に腰を下ろした。この1週間、彼は24時間体制で仕事をしていて、睡眠はこま切れにしかとっていなかった。もちろん、仮眠をとるときには、大きい音でアラームが鳴るように設定した携帯電話を横に置いていた。

やがて最後の観測データが届き、電波天文学者と技術者の専用チャットに祝福のコメントが押し寄せた。ある人は、これから50年物のスコッチを開けると宣言し、またある人は、「ボヘミアン・ラプソディー」を聞いて勝利を祝っていると言った。

フィッシュ氏も「とてもうれしいですし、ほっとしています。おかげでよく眠れそうです」と語る。だが、手放しで喜んでいるわけではない。データ量が膨大で、処理にはかなりの時間がかかるため、彼らのすさまじい努力が実を結んだかどうかは、数カ月後にならないとわからないのだ。

オランダ・ナイメーヘンにあるラドバウド大学の電波天文学者ハイノ・ファルケ氏は、次のように語る。「最初の画像はまだ質が悪いかもしれません。それでも、アインシュタインの重力理論でブラックホールの極限環境を正しく予想できるかどうかを検証できるようになりました」

1915年に発表されたアインシュタインの革命的な理論によると、物質は時空の幾何学的な構造を曲げ、私たちはその曲がりを重力として経験するという。超巨大なブラックホールの存在は、相対性理論の最初の予想の一つだった。

「ブラックホールは空間と時間の終点なので、私たちの知識もそこで終わるのかもしれません」とファルケ氏は言う。天文学者は、宇宙に存在するすべての大型銀河の中心にブラックホールが隠れていると考えているが、その有無については状況証拠しかつかんでいない。アインシュタイン自身も、その存在を確信していたわけではなかった。

ファルケ氏は、ブラックホールの最初の画像は、神話的な存在だったブラックホールを、研究の対象となる具体的な存在に変えるはずだと信じている。

天気との戦い

今回のプロジェクトでは、世界8カ所にある天文台が、地球と同じ大きさの仮想的な電波望遠鏡を利用して観測を行った。「事象の地平線望遠鏡(EHT)」と呼ばれるプロジェクトだ。ハワイで最も高い山から南極の極寒の地まで、広範囲にある天文台をつないだ観測ネットワークを構築するために、国際チームは何年も前から計画を立て、協力してきた。

そして4月4日からの10日間、事象の地平線望遠鏡が空に向かって巨大な目を開いた。

観測したのは、2つの超大質量ブラックホールだ。1つは、銀河系の中心にあり、太陽400万個分の質量をもつ「いて座A*」ブラックホール。もう1つは、銀河系に近い銀河M87の中心にあり、いて座A*の約1500倍の質量をもつブラックホールだ。

事象の地平線望遠鏡は、以前にもこの2つの巨大ブラックホールを観測しているが、南極点望遠鏡と、チリのアルマ望遠鏡が参加したのは、今回が初めてとなる。アルマ望遠鏡は、それ自身が66台のパラボラアンテナからなる。

アルマ望遠鏡が加わったことで、事象の地平線望遠鏡の解像度は10倍になり、月面に置いたゴルフボールを見つけられるレベルになった。2つのブラックホールの事象の地平線は驚くほど小さいと予想されているが、これだけの視力があれば見えるはずだ。

数年がかりで観測時間を調整し、各施設に必要な装置を取りつけた研究チームは、最後に、どうしてもコントロールできないものに翻弄されることになった。天気である。

天文学者たちがブラックホールの観測に利用したのは、「ミリ波」と呼ばれる電波である。ミリ波は、銀河の中心にある高密度のガスと塵を貫き、途中にある物質の影響をあまり受けずに地球に届く。

しかし、水は電波を吸収・放出するため、地球上で雨が降ってしまうと観測にならない。雨の影響を最小限におさえるため、電波望遠鏡は山頂や標高の高い砂漠に建設されているが、雲や雨や雪のほか高地に特有の強風により観測できない日もある。

フィッシュ氏は、「すべての観測地点で好天に恵まれる可能性は、ほぼゼロです」と言う。事実、観測期間中、実際に観測できたのは5夜だけだった。研究チームのメンバーは毎日顔を合わせて、各観測地点の現在の天気と今後数日間の天気予報をにらみながら、ネットワークを稼働させるかどうか決定した。フィッシュ氏はヘイスタック観測所のコンピューターでそれぞれの観測地点の天気をモニターしながら、別のコンピューターで天文学者たちと連絡を取り合っていた。

事象の地平線望遠鏡プロジェクトの責任者である、ハーバード・スミソニアン天体物理学センターのシェプ・ドゥーレマン氏は、「夜に観測を始めてから天気が悪くなってきたり、天気が悪いだろうと思って観測を中止にしたのに良い天気だったりすると、本当に悔しい」と語る。

見たいものはピーナッツ?

5日間の観測を終えた天文学者たちがブラックホールを撮影できたかどうかを知るまでには、しばらく待たなければならない。

各天文台の観測データの量は膨大で、オンラインで送ることはできない。すべての望遠鏡からの情報(ノートパソコン1万台分の記憶容量に相当する)は、1024台のハードディスクに記録された。これらのハードディスクは、ヘイスタック観測所とマックス・プランク電波天文学研究所(ドイツ・ボン)にある、事象の地平線望遠鏡データ処理センターに郵送される。

しかも、南極点望遠鏡のハードディスクは、10月末に南極の冬が終わるまでは発送できない。

データ処理センターでは、8カ所の天文台から届いたタイムスタンプ付き信号を照合する。この作業は非常に重要だ。観測データを照合する作業は、細心の注意を払って行わないと、事象の地平線の大きさと構造に関する重要な情報が失われてしまうおそれがあるからだ。

離れた場所のアンテナで観測したデータを照合する技術は「超長基線電波干渉法(VLBI)」と呼ばれ、電波天文学では一般的な技術になっている。けれども通常、望遠鏡の数はこんなに多くないし、これほど広い範囲に分散してもいない。ドゥーレマン氏は、「地球サイズのネットワークを同期させようとしているのですから、考えてみればたいへんなことです」と言う。

天文学者たちが最終的に見たがっているのは、黒い円(ブラックホールの影)のまわりに広がる光だ。光を発しているのは、ブラックホールのすぐ外側を事象の地平線をなぞるように公転し、数千億度の高温になっているガスである。ファルケ氏によると、シミュレーションでは、ブラックホールの片側に見える光はもう片方の側に見える光よりかなり明るく、「コンテストに出したら絶対に優勝できなさそうな不恰好なピーナッツ」のような形が予想されているという。

ドゥーレマン氏らは、今回の観測で画像を生成できなかったとしても、来年、さらに大きなネットワークで観測に再挑戦することを決めている。ファルケ氏は、「今後10〜50年で、アフリカや宇宙にも観測網を広げることで、より鮮明な画像も得られるようになるでしょう」と語っている。




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日記

エンケラドス


土星の衛星エンケラドスに生命はぐくむ素材

水素分子を確認、氷の下の海に熱水噴出孔の可能性高まる

氷に覆われた土星の衛星エンケラドスの奥深くで、熱いものがうごめいているようだ。NASAの科学者たちは、そのエネルギーが地球外生命をはぐくんでいる可能性もあるとしている。

NASAの土星探査機カッシーニは、以前、エンケラドスから噴き上がるプルーム(水柱)の中を通り抜けてその成分の「味見」をし、塩類、単純な有機分子、アンモニアなど、生命の主要な構成要素が含まれていることを明らかにした。

米サウスウェスト研究所の科学者ハンター・ウェイト氏が率いる研究チームは、4月13日に開かれた記者会見で、2015年10月にカッシーニが接近通過(フライバイ)を行った際に、エンケラドスから噴き出すプルームに水素分子が含まれていることを確認できたと発表した。

この水素分子は、海底の岩石と熱水が反応して生じたものと考えられ、現在のエンケラドスに熱水噴出孔があり、その活動により生物にエネルギーを供給できることの証拠になる。

米ジェット推進研究所の宇宙生物学者ケビン・ハンド氏は、今回の研究には関与していないが、「エンケラドスに、生命をはぐくむことができる『海の世界』があることを証明するものです。非常に面白く、説得力のある研究だと思います」と賞賛する。

エンケラドスの海の味

エンケラドスの軌道のふらつきから、この衛星の中心部と外側の氷の殻が互いにわずかにすべっていることがわかる。この現象をうまく説明するには、氷の下の全体が海になっていて、その深さが26km以上あると考えればよい。2005年にカッシーニがエンケラドスのプルームを発見して以来、この海に生命が存在できる可能性を示す証拠が次々に発見されている。

カッシーニの画像チームを率いるキャロリン・ポルコ氏は、「地球を除けば、現時点でエンケラドスより条件の良い『海の世界』はありません」と言う。「おまけに、エンケラドスの海のサンプルを採取するのは非常に簡単です。海の方から宇宙に飛び出してくれるのですから!」

2015年10月28日にカッシーニがプルームの中をくぐったときには、これまでで最も深いところまでダイブし、エンケラドスからわずか48kmのところを秒速8.5kmの相対速度で飛行した。

それ以前の接近通過から、プルームに含まれる水分子がカッシーニの観測装置の内壁に衝突すると、その衝撃で水素分子が生成するため、プルーム自体に水素分子が含まれているかどうかの判定は非常に難しいことがわかっていた。

そこで研究者たちは、カッシーニの舌に相当する分光器を数年がかりで微調整して、入ってきた粒子が内壁に接触しないようにしたが、この変更によりカッシーニの「味覚」の感度は数百分の1に低下してしまった。

ウェイト氏は、「信号を1つも検出できないのではないかと心配していました」と言う。しかし、カッシーニが猛然と降下する間に、水素ガス濃度は背景レベルの100倍以上まで増加した。やはり水素分子はエンケラドスから出ていたのだ。

研究チームは、この水素ガスはエンケラドスが形成されたときに内部に取り込まれたものではないと考えている。エンケラドスの重力は弱く、水素ガスは非常に軽いため、誕生当時の水素ガスはとっくの昔に失われているはずであるからだ。

このほど科学誌『サイエンス』に発表された論文では、この水素ガスは作られたばかりのもので、おそらく熱水噴出孔の周囲の活動によって生成したものとしている。

華々しいフィナーレへ

研究チームの地球化学モデルによると、海底の熱水噴出孔から出る二酸化炭素と水素を微生物が消費して、メタンを排出している可能性がある。このメタンをほかの微生物が食べて、エンケラドスの生態系を作っているのかもしれない。

とはいえ、このようなプロセスが考えられるというだけでは、水素を利用する生物が存在する証拠にはならない。

「今回明らかになったのは、エンケラドスには大量の水素があり、生命が利用できる化学エネルギーが十分にあるということです」とハンド氏。「生命が誕生したかどうかは、また別の問題です」

米ハーバード大学の地球生物学者として地球の熱水噴出孔の研究を行うジェフリー・マーロー氏は、「エネルギーが大量にある必要はありません。重要なのは、エネルギー供給の速さを考えることです。エネルギーの供給の速さは、生命を維持するのに十分なのでしょうか?」とコメントする。

こうした疑問に答えるためには、これから何年も待たなければならない。 カッシーニの観測装置には生命探査を行えるほどの感度がないうえ、13年にわたる土星探査により燃料が底を尽きかけていて、残された寿命はあとわずかなのだ。

NASAはカッシーニのために劇的な「グランドフィナーレ」を用意している。土星と内側の環の間を22周させたあと、9月15日に土星に突入させるのだ。(参考記事:「土星探査機カッシーニ、最終ミッションを開始」)

1990年からカッシーニのミッションに従事してきたポルコ氏は、「太陽系探査における最も重要な瞬間の1つであり、私たちの研究にとっても人類の宇宙プログラムにとっても主要な業績になると考えています」と言う。「心から誇りに思います」

エウロパのプルーム

カッシーニと別れを告げた後も、NASAによるプルームの味見は終わらないかもしれない。

今回のNASAの記者会見では、重大発表がもう1つあった。ハッブル宇宙望遠鏡が、木星の衛星エウロパから噴出するプルームについて、さらなる証拠を発見したのだ。

木星の4番目に大きい衛星であるエウロパは、エンケラドスと同様、氷の下に広大な海を隠し持っていて、その海水の量は地球の海水の2倍もある。ハッブル宇宙望遠鏡は2012年12月から、エウロパの海の水が宇宙空間に噴き出していることを示す手がかりを得ていた。

ハッブル宇宙望遠鏡が2016年に撮影した高さ100kmのプルームは、2014年に撮影した高さ50kmのプルームと同じ場所から噴き出しているように見える。

観測を行ったハンド氏は、「エウロパのこの地域には、散発的に噴出するプルームがあると説明するのが自然です」と言う。研究チームの論文は、近日中に科学誌『天体物理学ジャーナル』に発表される。ハンド氏は、エウロパに間欠泉があるなら、噴出した物質の中に生命の兆候を見つけることができるかもしれないと考えている。

NASAは2020年代にエウロパ探査機エウロパ・クリッパーの打ち上げを予定しているが、このプルームを利用してサンプルを容易に入手できるかもしれない。

ウェイト氏も、「私たちはエンケラドスのプルームを利用して海水の成分を調べることができましたが、エウロパでも同様の調査ができるはずです」と期待している。




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