ブラックホールシャドウの謎：EHTが見たものと未解決の物理
ブラックホールを「見る」という挑戦
アインシュタインの一般相対性理論によってその存在が予言されたブラックホールは、長い間、理論上の存在であり、直接「見る」ことは不可能だと考えられていました。なぜなら、ブラックホールは光すら脱出できない極限的な重力を持つ天体であり、その本体は完全に暗黒に包まれているからです。
しかし、近年、国際的な研究プロジェクトであるイベントホライズンテレスコープ（EHT）が、この常識を覆す成果を発表しました。彼らは、ブラックホールの本体ではなく、その周辺の「影」とも呼べる領域、すなわち「ブラックホールシャドウ」を観測することに成功したのです。
この歴史的な観測は何を意味するのでしょうか。そして、観測されたブラックホールシャドウは、宇宙のどのような謎を私たちに提示しているのでしょうか。
ブラックホールシャドウの仕組み
ブラックホールの中心には、重力が無限大になると考えられている特異点があります。その外側には「事象の地平線」と呼ばれる境界線があり、一度この線を超えると、光速をもってしても外へ脱出することはできません。したがって、事象の地平線の内側を直接観測することは原理的に不可能です。
では、なぜ「シャドウ」が見えるのでしょうか。それは、ブラックホール周辺の極めて強い重力が、周囲を通過する光を大きく曲げるためです。
ブラックホールの近くを通過する光の軌道は、その進行方向やブラックホールからの距離によって様々な曲がり方をします。遠くを通る光はわずかに曲がるだけですが、近くを通る光は大きく曲げられます。そして、ある特定の軌道よりも内側を通過する光は、ブラックホールの重力に捕らえられ、事象の地平線を越えてブラックホールの内部に落ち込んでしまいます。
この「ブラックホールに捕獲される光」と「曲げられて観測者に届く光」の境界線が、私たちから見て、背景の明るい光源（例えばブラックホールの周囲に存在する高温ガス）を遮る暗い領域として観察されます。これがブラックホールシャドウです。
厳密には、事象の地平線のすぐ外側には、光がブラックホールの周りを円を描くように周回できる特定の軌道が存在します。これを「フォトンオービット（光子軌道）」と呼びます。さらにその外側には、ブラックホールの周りを何度も螺旋を描いて回った後に観測者に届く光が作り出す明るい「フォトンリング」と呼ばれる領域があります。ブラックホールシャドウは、主にこのフォトンリングの内側に広がる、光が届かない暗い領域として現れます。
シャドウの大きさや形は、ブラックホールの質量と、ブラックホールがどれだけ速く回転しているか（スピン）によって決まります。静止した（スピンがない）ブラックホールのシャドウは完全な円形ですが、高速で回転するブラックホールのシャドウはわずかに歪むことが予言されています。シャドウのサイズは、ブラックホールの事象の地平線の半径（シュワルツシルト半径）の約2.6倍になると計算されています。
EHTが捉えた歴史的な画像
EHTは、世界各地の電波望遠鏡を結びつけ、地球サイズの巨大な仮想望遠鏡として機能させることで、かつてないほど高い解像度を実現しました。これにより、遠方のブラックホールのシャドウを画像化するという困難な試みが可能になったのです。
2019年、EHTはM87銀河の中心にある超大質量ブラックホールのシャドウ画像を公開しました。そして2022年には、私たちの銀河系の中心にある、いて座A*と呼ばれる超大質量ブラックホールのシャドウ画像も公開されました。
これらの画像には、中心に暗い領域があり、その周囲が明るいリング状の構造に囲まれている様子がはっきりと映し出されていました。これはまさに、理論的に予測されていたブラックホールシャドウの姿でした。
観測されたシャドウのサイズと形状は、一般相対性理論が予言するブラックホールの質量とスピンに基づいた計算結果と、驚くほどよく一致しました。これは、極限的な重力環境であるブラックホールのすぐ近くにおいても、アインシュタインの理論が有効であることを示す強力な証拠となりました。
また、シャドウの周囲の明るいリングは、ブラックホールの重力に引き寄せられて高速で回転し、プラズマ状になったガス（降着円盤）からの光です。リングの明るさが均一でないことは、ガスがブラックホールに向かって落ち込んでいく向きや、相対論的な速度での運動によるドップラー効果などを示唆しており、ブラックホール周辺の物質の振る舞いに関する貴重な情報を提供しました。
ブラックホールシャドウに残された未解決の謎
EHTによるブラックホールシャドウの観測は画期的な成果でしたが、同時に多くの新たな、あるいは既存の未解決の謎に光を当てました。
一つ目の謎は、一般相対性理論の検証限界です。EHTの観測は一般相対性理論を強く支持しましたが、現在の解像度や観測精度では、理論からわずかにずれるような新しい物理現象が、ブラックホールのごく近傍で起きている可能性を完全に排除することはできません。例えば、量子重力理論の影響が現れるとすれば、それはブラックホールの特異点だけでなく、事象の地平線の構造や、シャドウの正確な形状にも影響を与えるかもしれません。より高精度な観測によって、一般相対性理論を超える新しい物理の痕跡が見つかるのかどうかが、今後の大きな課題です。
二つ目の謎は、降着円盤とジェットの複雑な振る舞いです。シャドウを取り囲む明るいリングは、ブラックホールに落ち込む物質（降着円盤）からの放射です。しかし、この降着円盤がどのように形成され、ブラックホールの重力によってどのように駆動されるのか、その詳細なメカニズムはまだ完全には理解されていません。特に、M87のような活動銀河の中心にある超大質量ブラックホールからは、強力なジェットが噴出していますが、このジェットが降着円盤やブラックホールのスピン、磁場とどのように関連して生成されるのかは、宇宙物理学における重要な未解決問題です。シャドウの周囲の光のパターンは、これらの謎を解くための手がかりとなりますが、複雑な物理過程を読み解くには更なる観測と理論研究が必要です。
三つ目の謎は、ブラックホール近傍の時空構造です。シャドウの形はブラックホールの質量とスピンによって決まりますが、シャドウの観測だけから得られる情報は限られています。シャドウの内側や、事象の地平線の極めて近い場所で、時空がどのように歪み、どのような物理が支配的になっているのか、詳細な構造はまだ謎に包まれています。もしブラックホールの中心に本当に特異点が存在するのか、あるいは量子的な効果によって「特異点」とは異なる構造になっているのか、といった根本的な問いに、シャドウの観測がどこまで迫れるのかも未知数です。
また、シャドウの中心の暗い領域の中に、もし複数の非常にコンパクトな天体が存在していたとしても、現在のEHTの解像度では区別がつかない可能性があります。これは、ブラックホールシャドウが完全に「空虚」な空間を映し出しているのか、あるいは何らかの構造を含んでいるのかという問いにも繋がります。
今後の展望
ブラックホールシャドウの観測は、まだ始まったばかりです。EHTの観測網は拡大されており、将来的にはより多くの電波望遠鏡が参加することで、解像度がさらに向上することが期待されています。また、異なる周波数帯での観測や、宇宙望遠鏡を用いた観測なども検討されており、これによりシャドウのより詳細な構造や、降着円盤・ジェットの時間的な変動を捉えることができるようになるかもしれません。
このような高精度かつ多角的な観測は、一般相対性理論の更なる厳密な検証や、新たな物理法則の発見に繋がる可能性があります。また、ブラックホール周辺の物質がどのように振る舞い、巨大なエネルギーを放出するのか、そのメカニズムの解明にも大きく貢献するでしょう。
さらに、恒星質量ブラックホールや、まだ観測例の少ない中間質量ブラックホールのシャドウ観測にも挑戦することで、様々なタイプのブラックホールの物理を探求することが可能になります。
宇宙の深淵を映す影
ブラックホールシャドウの観測は、人類が初めてブラックホールという存在を直接的に感じ取った画期的な出来事です。それはアインシュタインの予言の正しさを証明する一方で、シャドウの背後に隠された多くの未解決の謎を私たちに提示しました。
シャドウの更なる研究は、ブラックホールそのものの理解を深めるだけでなく、極限環境での物理法則、宇宙論、そして宇宙の深遠な謎の解明に繋がる鍵となるでしょう。ブラックホールの「影」が映し出す宇宙の姿から、私たちはこれからも目を離すことができません。