国際研究チーム「イベント・ホライズン・テレスコープ(EHT)・コラボレーション」は、2017年と2018年の観測結果の比較からM87銀河の中心にある巨大ブラックホールについて理解を深めることに成功しました。本研究では、1年の間に事象の地平面スケールで起こった現象を解析できるようにするため、理論シミュレーション画像を新たに12万枚も追加し、観測結果と照らし合わせました。その結果、M87ブラックホールの自転軸が地球とは反対方向を向いていることを再確認しました。そしてリングの最も明るい場所の変化には、ブラックホールの周囲を回転するガス円盤の乱流が重要な役割を果たしていることを示しました。これはブラックホール周辺の複雑な運動状態を解明する上で大きな前進となります。本研究成果は欧州の天文学専門誌『アストロノミー・アンド・アストロフィジクス』に掲載されました。
図1：M87ブラックホールの観測画像(左)と理論画像(中央・右)。(左) 2018年(上)と2017年(下)に行われたEHTの観測で得られたM87ブラックホールの画像。(中央) 2つの異なる時間における一般相対論的磁気流体力学（GRMHD）シミュレーションに基づく画像。(右) 中央の画像をEHTの解像度に合うようにぼかした画像。画像クレジット：EHT Collaboration
史上初のブラックホール画像が公開されてから6年が経ち、EHTコラボレーションはM87銀河の中心にある超大質量ブラックホールの理論解析結果を発表しました。本研究は2017年と2018年の観測データを組み合わせることで、事象の地平線近くを周回するガスの構造と運動状態に関して新たな知見が得られました。
本研究は、ブラックホールとその周囲を支配する極限的な物理過程の理解を大きく進展させ、宇宙で最も神秘的な現象について新たな視点を提供するものです。「ブラックホールの周辺は乱流に満ちた動的なものです。2017年と2018年の観測は独立した測定として扱えるので、新たな視点からブラックホール周辺の性質に迫ることができます。この研究は、時間とともに変化するブラックホールの観測における新たな可能性を示しています。」と本研究プロジェクト代表の一人の國立台灣師範大学の卜宏毅 助教は述べています。
2018年の観測では、2017年に初めて捉えられた明るいリングの存在が確認され、その直径は約43マイクロ秒角でした。これは約65億太陽質量の巨大ブラックホールが作るシャドウ（影）のサイズは1年で大きく変化しないという理論予測と一致していました。特に注目すべき点は、リングの最も明るい場所が2017年は6時の方向にあったもの、2018年の画像では約30度異なる5時の方向にあったことです。アビシェク・ジョシ氏（イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校博士課程在学）は次のように説明しています。「最も明るい場所の変化は、ブラックホール周辺の降着円盤で乱流が発生していると考えると、自然な結果です。2017年の観測に基づく私たちの理論的解釈では、この変化が起こる可能性が高いと予測していました。 2018年の観測でこの予測が確認されたことを大変嬉しく思います！」
研究チームはスーパーコンピューターを用いて新たに膨大な理論シミュレーション画像を生成しました。これは2017年の観測を解釈するために生成された画像の3倍の規模に相当します。この画像と2017年と2018年両方の観測データを活用し、理論を精査しました。「ブラックホールは理論上、事象の地平面の近くのガスを必ずブラックホールの自転と同じ向きに回転させます。しかし少し離れた所では逆向きに回転していてもよいです。この場合に乱流は比較的激しくなり、今回の観測結果と一致しやすいことがわかりました。今後は、他の可能性も含めて理論的考察を深め、ブラックホール近傍の物理を解き明かしていきたいと思っています。」と東北大学学際科学フロンティア研究所の當真賢二 教授は述べています。
八戸工業高等専門学校総合科学教育科の中村雅徳 教授は「2年間の観測で得られた成果の解釈において、ブラックホールに吸い込まれるガスが逆回転している可能性が提言されたことは興味深いです。この時、生成されるジェットの構造や特性が順回転している場合と異なるため、さらに考察を進めることが楽しみです。」と話しています。
「私たちが試験観測や運用に携わったグリーンランド望遠鏡(GLT)がEHT観測網に加わり、ブラックホール周辺の複雑な振る舞いが次第に解明されていくのを見届けられたことに、大きな喜びを感じています。理論的な考察を基に、今後もEHTが新たな発見をもたらしてくれることを期待しています。」と新潟大学大学院自然科学研究科の小山翔子 助教はコメントしています。
アニメーション：ブラックホールとその近傍のガス円盤が逆回転の場合(左)と順回転の場合(右)の動画。一般相対論的磁気流体力学（GRMHD）シミュレーションに基づく画像(各パネル左下)とEHTの解像度に合うようにぼかした画像(各パネル中央)。実線の棒は各時間でガス円盤の最も明るい場所を指している。クレジット：EHT Collaboration、可視化:卜宏毅 (國立台灣師範大学)、理論シミュレーション: Abhishek Joshi (UIUC) & Ben Prather (LANL)
アニメーション：M87観測に参加したEHT望遠鏡の配置図。2018年以降は新たにグリーンランド望遠鏡(GLT)が加わった。クレジット：Cristina Romero-Cañizales(台灣中央研究院天文及天文物理研究所)
論文情報
本研究成果は、2025年1月22日付で欧州の天文学専門誌「Astronomy and Astrophysics」に掲載されました。
論文タイトル： “The persistent shadow of the supermassive black hole of M87. II. Model comparisons and theoretical interpretations”
著者：Event Horizon Telescope Collaboration et al.
DOI: 10.1051/0004-6361/202451296
OR https://www.aanda.org/10.1051/0004-6361/202451296
謝辞
この研究は、文部科学省/日本学術振興会科学研究費補助金（No. JP17J08829, 18KK0090, JP21H01137, JP18H03721, JP18K13594, JP18K03709, JP19K14761, JP18H01245, 25120007, JP19H01943, 21H01137, 21H04488, 22H00157, 23K03453）、文部科学省「富岳」成果創出加速プログラム「宇宙の構造形成と進化から惑星表層環境変動までの統一的描像の構築」（JPMXP1020200109）、および計算基礎科学連携拠点（JICFuS）、他、国際的な支援を受けて行われたものです。
国内の共同発表機関
EHT-Japan、東北大学、八戸工業高等専門学校、新潟大学、自然科学研究機構国立天文台水沢VLBI観測所
海外の共同発表機関
國立台灣師範大学、EHTコラボレーション所属機関
問い合わせ先
（_AT_を＠に変更してください）
- 當真 賢二（とうま けんじ） 東北大学学際科学フロンティア研究所
Email: toma_AT_astr.tohoku.ac.jp - 中村 雅徳*（なかむら まさのり） 八戸工業高等専門学校総合科学教育科
Email: nakamrms-g_AT_hachinohe-ct.ac.jp - 小山 翔子*（こやま しょうこ） 新潟大学大学院自然科学研究科・創生学部
Email: skoyama_AT_create.niigata-u.ac.jp
*台灣中央研究院天文及天文物理研究所招聘研究員