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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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日記

お金の進化

最初のお金は“布”? 
意外過ぎるお金の進化
欲しいモノやサービスはお金で買う。今では当たり前のことだけれど、実は、日本でお金の制度が確立したのは、江戸時代になってからなんだ。お金はどのようにして生まれ、みんなが使うようになったのか、見てみよう。毎月話題になったニュースを子ども向けにやさしく解説してくれている、小中学生向けの月刊ニュースマガジン『ジュニアエラ』に掲載された、公立鳥取環境大学准教授の泉美智子さん監修の解説を紹介しよう。
「信用」があるからお金になる
今の日本には、全国共通の紙幣や硬貨があり、どこに行っても買い物に使える。当然のように思えるけれど、それは、長い歴史のなかで、日本の政府が、国民に信用されるようになったから実現しているんだ。
お金の役割と条件は、次の三つだ。
・欲しいモノと交換できる
・価値の尺度になる
・価値を保存できる
昔、物々交換に不便を感じた人たちが、この条件を満たし、みんなが価値を認めるものとして、布などを、お金として使うようになった。これらはみな、日本という国ができる前、人々の間で自然に行われるようになったことだ。
国づくりが進むと、朝廷が自らお金をつくり管理する貨幣制度を導入しようとした。ところが、うまくいかなかった。朝廷の都合で、勝手にお金の価値を上げたり、安い金属を混ぜたりしたためだ。だから、やがて朝廷のつくったお金は使われなくなり、中国のお金が使われるようになった。しかし、江戸時代になり、政治が安定すると、ようやく貨幣制度が確立した。明治時代になり、それ自体は価値が高くない紙幣が使われるようになったのも、さらに、金や銀との交換を保証しない管理通貨制度になったのも、国への信用が高まったからだ。
1万円札や500円玉にさまざまな技術が使われているのも、ニセ金がつくられるのを防ぎ、信用を高めるためなんだね。
【お金の“進化”を見てみよう】
(1)お金の始まりは米や布
昔の人は、互いの持っているモノを直接交換して、欲しいモノを手に入れていた。しかし、欲しいモノが一致するとは限らないから、交換を成立させるのは難しい。魚や野菜は時間がたてば腐ってしまう。そこで生まれたのがお金だ。最初は、米や布など、保存できてみんなが価値があると認めるものが使われ、やがて、価値があって、小さく持ち運びにも便利な金属のお金も生まれた。
(2)国がお金をつくったけれど…… <飛鳥時代>
日本の国づくりが始まった飛鳥時代には、朝廷が中国を手本にして貨幣制度を導入し、金属のお金(硬貨)をつくるようになった。ところが、当時はまだ米や布でのやりとりや物々交換で十分と考える人も多く、また、銅が不足すると安い鉛を混ぜたりしたため、人々から信用されず、なかなか広まらなかった。
(3)中国のお金はOK! <平安時代>
平安時代中期に、朝廷が貨幣をつくるのをやめたため、米や布でのやりとりや物々交換の時代が続いた。しかし、社会が発展してたくさんのモノが売り買いされ始めると、人々は、やはり便利な硬貨を使いたいと思った。そこで使われたのが、宋(中国)から入ってきた硬貨(宋銭、渡来銭)だ。日本の硬貨と同じ銅銭だが、当時の中国は超大国だったから、人々は信用したのだ。
(4)戦国大名が貨幣をつくった! <戦国時代>
戦国時代になると、各地の戦国大名たちの中には、軍資金として金山や銀山を開発し、自分の領国内で通用する独自の貨幣をつくる者もいた。やがて天下を統一した豊臣秀吉は、全国の金山・銀山を手中にし、金貨や銀貨をつくらせた。
(5)徳川家康がお金のルールを統一! <江戸時代>
江戸幕府を開いた徳川家康は、地方によって異なったお金のルールを統一した。ただし、東日本では金貨、西日本では銀貨が使われ、庶民の普段の買い物では銅銭を使う「三貨制度」だったので、それぞれのお金を交換(両替)するために両替商が発展した。
(6)「円」が誕生し、紙幣を発行! <明治時代>
明治政府は、お金の単位を「円」に改め、硬貨よりも軽くて持ち運びが便利な紙幣の発行を始めた。ただし、当初は、「金や銀と交換できる」という保証つき。やがて、昭和時代になり国や紙幣への信用が高まると、金や銀との交換を保証しない管理通貨制度になった。
(7)「見えないお金」の時代に <現代>
電子マネーは、カードやスマートフォンなどにお金の情報を登録させたもので、お店のレジや自動販売機、駅の自動改札などに読み取らせて、お金と同じように使える。クレジットカードのほかビットコインなども含めた「見えないお金」が広まりつつある。
【キーワード】
<貨幣制度>
お金の種類や単位、価値、発行や流通のしかたなどを国家が決めるしくみ。
<管理通貨制度>
貨幣制度の一つ。国が、最適と思われる通貨(流通している貨幣)の量を決めて、管理・調節するしくみ。一方で、紙幣と金や銀との交換が保証され、金や銀の量から通貨の量が決まるしくみを、金(銀)本位制度という。
<ニセ金>
ニセ金づくりは、貨幣制度のスタートと同じ時期に始まった。ニセ金問題を解決するための法律「撰銭令」が、幕府や各地の戦国大名から出され、織田信長も撰銭令を出した記録が残っている。
<ビットコイン>
インターネット上で支払いや送金が可能な、現実のお金の代わりとなるしくみの一種。政府などの組織が管理しているわけではなく、利用者同士の信用により成り立っていることから「仮想通貨」ともいわれる。



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