天文学的に見ると、2019年はブラックホールの年と言える。

この年、ブラックホール研究は多くの画期的な進展を遂げた。4月10日、科学者は初の世界唯一のブラックホール写真を発表した。11月28日、中国科学院国家天文台の科学研究者は銀河系の中で最大の恒星級ブラックホールを発見したほか、米国の科学者は宇宙の中で最小質量のブラックホールを発見した。これらの発見の中で、最初のブラックホール写真が最もエキサイティングなことであることは間違いない。

銀河系内で最も重い恒星級ブラックホールLB-1の芸術想像図（喩京川絵）

1915年、アインシュタインは広義相対性理論を提案し、数ヶ月後、ドイツの塹壕にいた物理学者カール・シュワジー（K。Schwarschild）はアインシュタイン方程式の正確な解を求めた。この解は現在私たちが知っているブラックホール解であり、回転していないブラックホール解であり、これも初めて現代的な意味でブラックホールに対する記述である。

次の100年近く、人類のブラックホールに対する研究は理論上にとどまっており、私たちはブラックホールがどのように成長しているのかほとんど知らない。

ここ10年以上にわたって、科学技術の発展は人類にブラックホールの真実の姿を追跡し、探究する機会を与えてきた。ついに2019年4月、世界20カ国の300人以上の科学者が共同で初のブラックホール写真を発表した。

ブラックホール探査の歴史を通じて、科学発展全体の長い歴史を垣間見ることができる。

ブラックホールといえば、多くの映画でブラックホールを「食べる」ことができ、光も時間も止まる「巨人」と表現しているため、恐怖感があるかもしれませんが、一部の物理学者の目には、未来には時間の扉の役割を果たし、人類を急速に宇宙横断に導くことができるかもしれないので、非常に不思議に映っているのではないでしょうか。

全体的に言えば、ブラックホールは神秘的で不思議な天体です。ブラックホールは引力が非常に強いので、それを認識するには、引力の発展の歴史から探究しなければなりません。

万有引力発展史

引力といえば、自然と私たちは17世紀の偉大な物理学者ニュートンを思い浮かべるだろう。彼は木の下に座って、落下したリンゴを見て、宇宙に普遍的な力が存在するべきだと意識した。今では万有引力と呼ばれている。

ニュートンは非常に偉大な物理学者であり、それを思いついただけでなく、この考えを「地に落とす」こともできた。彼はこの考えに基づいて非常に古典的な公式を書いた：万有引力表現。この公式を通じて、引力は物体に質量があるために存在すると考えていることが分かった。

彼はこの理論を古典的な『自然哲学の数学原理』にまとめた。この理論が発表された後、宇宙における天体の動きをうまく説明できるだけでなく、天体の将来の動きの状態を完璧に予測できるため、多くの人に推賞された。

次の数百年の間、彼の理論は絶えず検証され、さらに広く応用され、物理学だけでなく、他の非常に多くの学科にも応用されている。ニュートン理論は現代科学の起源と言えるが、19世紀になると、より多くの観測の発見が、科学者にニュートン理論に挑戦させた。20世紀初頭、アインシュタインはまず狭義相対性理論を提出し、10年後に広義相対性理論を提出した。この新しい理論の中で、引力は質量から直接発生するのではなく、質量のある天体が宇宙の時空の湾曲をもたらし、湾曲した時空が引力の効果を示すという引力に対する新しい見方を提案した。

アインシュタインが広義相対性理論を提案した数ヶ月後、ドイツの物理学者カール・シュワジー（K.Schwarschild）はこの複雑な方程式の正確な解を得たが、残念なことに、この正確な解はブラックホールの正確な解ではあるが、このブラックホールは回転していないブラックホールであり、宇宙のほとんどの天体は地球を含む回転している。だから、アインシュタインはこの正確な解を見たとき、驚いたが、この解が実在するとは信じていなかった。

次の数十年では、戦乱、科学技術の制限により、ブラックホールの研究は停滞していると言える。1939年だけで、オッペンハイマーと彼の学生は大質量恒星の崩壊が特異点を形成する可能性があることを発見した。これが私たちが今知っているブラックホールであり、それ以外のブラックホールの研究には大きな進展はない。

観測はブラックホールの痕跡を発見したことがないため、1955年にアインシュタインが死去するまで、ブラックホールのような神秘的な天体が存在するとは信じていなかった。

ブラックホール研究の黄金30年

チャンドラX線天文台が撮影した白鳥座のX-1写真（出典ウィキペディア）

60年代になると、1963年にニュージーランドの数学者コールが広義相対性理論方程式のもう一つの正確な解を得た。今回のブラックホール解は回転している。そしてそれから1年後の1964年、アメリカの科学者が探査ロケットを打ち上げて初めてブラックホールの跡を発見し、人類史上初の恒星スケールのブラックホールが発見された。これが私たちが今よく知っている白鳥座X 1である。

理論と観測の二重ブレークスルーによって、一気に多くの天文学者、物理学者がこの分野に投入されたため、次の二三十年の間にブラックホールの研究は黄金期に入った。私たちは今、ほとんどのブラックホールの知識が、この二三十年で得られたことを知っています。

その間、プリンストン大学のウィーラー教授という非常に際立った学者がいた。私たちが今知っているブラックホールという言葉は、彼が発明したものではないが、彼の広範な普及を経て、最終的には大衆に知られている。

ホイラーを除いて、重点的に紹介しなければならないもう一人の物理学者がホーキングだ。ホーキング氏は70年代、ブラックホールに放射線が何もないと考えていた時、ブラックホールが放射線を発生するはずだと提案した。これが私たちが今知っているホーキング放射線だ。この放射線は非常に微弱であるにもかかわらず、0と1の差は天と地の差である。

次の数十年の間、人類は理論的に非常に多くの知識を得ているにもかかわらず、ブラックホールがどのように成長しているのか、私たちはまだ知らない。だから、最近のブラックホールに対する最も衝撃的な描写は、2014年に公開された『スター・トレック』映画であるはずだ。

この映画のブラックホールに対する表現も私を震撼させた。私だけでなく、映画科学コンサルタントであるノーベル賞受賞者のキップ・ソーンも、ハイビジョン回転ブラックホールを初めて見たときは大喜びだった。高精細ブラックホールの表示を得るために、英国の二重否定会社は30人のチームを利用して、約1年の時間を費やして8000 TBのデータを得て、最終的にはファンのような高精細ブラックホールのレンダリング効果を示し、彼らは関連記事を発表して、彼らの計算技術を示した。

科学的にブラックホール探査については、ずっと停止していない。10年前、科学技術は一定の段階に発展し、世界の多くの国から来た科学者がブラックホールを真の画像化しようとしたグローバル望遠鏡をネットワーク化することができた。彼らはこのプロジェクトを視界面望遠鏡プロジェクトと呼んでいる。

彼らが見たい2つのブラックホール、1つは銀河系の中心から来たブラックホール、もう1つは約5500万光年離れたM 87ブラックホールで、上の図の右側に展示されているのがM 87光学帯域のブラックホールです。

中心ブラックホールの姿を本当に見るには、どのくらいの望遠鏡が必要ですか。現在最先端の望遠鏡を利用すれば、望遠鏡の口径は数キロほどに達し、中心のブラックホールの姿を見分けることができる。

科学者はこのような巨大な光学望遠鏡を作ることができなかった。彼らはVLBIネットワークと呼ばれる技術を開発し、世界のほとんどのサブミリ波望遠鏡を巨大なネットワークに接続した。この望遠鏡の口径は1万キロ以上に達することができ、中心ブラックホールを画像化することができます。これらの望遠鏡は通常、非常に標高の高い場所に位置しています。これは、電磁波に対する大気の吸収を減らすためです。

観測装置の改良が必要なほか、ブラックホールの周囲が非常に複雑であるため、理論的にも多くのシミュレーションが必要です。簡単な紙とペンを利用して、科学者はすでにブラックホールの周囲での気体の運動状態について説明するのは難しい。この時は相対性理論型の磁流体力学が必要で、毎回の計算には何千ものCPUが必要で、何ヶ月も演算する必要がある。

視野面望遠鏡チームは様々な状況に対して最終的な計算を行い、上図はその計算で得られた部分的な結果を示している。ついにすべての準備が整い、2017年4月10日から15日にかけて、彼らは世界8つの異なる場所の望遠鏡を利用して、この2つのブラックホールを観測し、最終的に約5 PBのデータを得た。

データ量が非常に多く、南極に望遠鏡があるからだ。既存のネットワークを利用するとデータを戻すのは難しいが、将来の5 G技術が成熟したら、直接転送することができるかもしれない。科学者はデータをディスクにコピーし、飛行機でデータセンターに戻す方法を採用している。

　　データセンターは2つあり、1つは米国のMITで、もう1つはドイツにあります。データを得た後、科学者は関連分析を行い、異なる方法で画像を確認した。確認後、再構築を行い、最終的に私たちが見ているブラックホールの写真を手に入れます。ブラックホールの写真を得ると同時に、科学者はすでに数値のシミュレーションを行い、数値シミュレーションライブラリと比較して、ブラックホールの性質を推定することができる。これが2019年4月10日午後9時に世界で発表された最初のブラックホールの写真です。

ブラックホールの写真があれば、以前得られた数値結果と比較して、科学者はブラックホールの性質について推測することができる。『スター・トレック』映画のブラックホールの印象が強いかもしれません。もちろん、M 87の周りに飛んで直接比較することはできませんが、現代の性能が非常に発達したコンピュータを利用してプロセス全体をシミュレーションすることができます。「なぜ私たちが今回見た最初のブラックホール写真と『スター・トレック』映画の中の写真はこんなに違うのか」と聞くかもしれません。

主な理由は、私たちが見ているブラックホールの視点が異なることで、M 87を撮影するのはブラックホールが回転する方向に沿って見ているが、『スター・トレック』映画では赤道の方向に沿って展示されているブラックホールの姿を撮影している。これは両者の間で最大の違いだ。

現代の科学技術はブラックホール研究に非常に便利なだけでなく、科学技術が天文研究所に影響を与えることを語る際に、重力波は非常に価値のある話題である。重力波は時空中のさざ波と言え、緻密な天体が宇宙で衝突したり爆発したりしたときに放出される巨大なエネルギーであり、時空に対して発生する波動である。

この波動は非常に弱く、水素爆弾は地球上で最も破壊力の大きい武器であることが分かっている。当時、旧ソ連が試みた水爆は5000万トン当量に達し、すべての水爆の中で最も破壊力が大きかったと言える。もし私たちが水素爆発の最も中心に立って、それが時空に対する干渉を測定することができれば、干渉はわずか10のマイナス27乗である。1つの原子核の大きさは10個の負の18乗メートルで、1つの頭のフィラメントの大きさは10の負の5乗メートルである。比較すると、この水爆は周囲の物体に大きな破壊を与えているにもかかわらず、時空にはほとんど無傷であることがわかる。

もしある日、非常に強力な重力波が地球を通過する時、地球上の人類にどんな影響を与えるだろうか。それは絶えず人間を引き伸ばす。

上図は重力波が人に与える影響を誇張して示したもので、一人は急に痩せたり、急に太ったりする。しかし実際には、重力波による人体の変化はいずれも原子核ほど大きくはない。

2015年9月、人類が初めて重力波を探知したのは、米国の重力波レーザー天文台によって探知された。今回の重力波の効果は1原子のスケールを変化させただけで、10のマイナス18乗mしかない。

このことからも、私たちの現代の科学技術はこのように精密な測定を行うことができることを示しています。

1915年に広義相対性理論が提案され、1916年に引力波が予測され、2015年に引力波が初めて直接探査されるまで、人類はまるまる1世紀の探索を経験した。

重力波も人類が意外なことを発見するのに役立ったが、宇宙には非常に質量の大きなブラックホールがたくさん存在するとは思わなかった。紫の原点は伝統的な望遠鏡が見ているブラックホールの質量を表しており、青は重力波が発見を助けてくれる質量の非常に大きいブラックホールである。したがって、重力波は人間がブラックホールを探索するための新しい窓となっている。

次のステップ：ブラックホールのダイナミックショットを撮影する

　　これから数年間、他にももっと大きなプロジェクトが行われています。例えば、米国のLSSTプロジェクト（Large Synoptic Survey Telescope、大型総合巡天望遠鏡）。私たちが今見ている多くの宇宙は静止した宇宙であり、例えば私たちはとてもきれいな絵を見ることができますが、この望遠鏡の目的は宇宙のアニメーション図を作ることです。そのデータ量は毎晩15 TBに達することができ、これは現在の計算処理能力にとって非常に大きな挑戦である。

もちろん、さらに大きな挑戦が待っている。中国が参加したもう一つの大型プロジェクト平方キロ陣電波望遠鏡（Square Kilometre Array、SKA）。そのスケールは1平方キロ以上に達することができ、2万以上の小型望遠鏡が含まれ、1秒間に発生するデータ量は2 TBに達する。だから、このような膨大なデータをどのように処理するかは、確かに非常に大きな挑戦です。

人類科学史全体の発展を見渡すと、現代科学の発展は天文学の観測のおかげだ。過去数十年、天文学はまた現代科学技術から多くの利益を得て、現代科学技術は科学者がもっと広くて不思議な宇宙を発見するのを助けることができます。天文学は基礎学科として、マサチューセッツ工科大学の校長が重力波を発見した後に言った言葉に深く賛同し、「基礎科学は非常に苦労しており、厳密で緩慢であり、非常に衝撃的で、革命的で触媒的な研究である。基礎学科がなければ、最良の構想は改善されず、革新も小競り合いでしかなく、基礎科学の進歩に従って、私たちの社会全体が進歩することができる」と述べた。