本間 希樹 (2017) 巨大ブラックホールの謎

  • 本間 希樹 [まれき], 2017: 巨大ブラックホールの謎 — 宇宙最大の「時空の穴」に迫る (ブルーバックス B2011)。講談社, 270 pp. ISBN 978-4-06-502011-1.

2017年4月の新刊。2019年4月に、「M78銀河」の中心部にブラックホールがある証拠を示す画像がつくられた(ブラックホールそのものが出す光は見えないが、その周辺からとどく光の特徴から判断された)という科学ニュースを聞いて、地学概論の授業で紹介しようと思って、その話題の入門書をさがしたらこれが見つかった。読書メモを実質的にまだ書いていないが、ひとまずページを確保しておく。

本間さんは、電波観測による銀河系天文学。とくに、VLBI (very long baseline interferometry、超長基線干渉計測) という方法による観測をしている。地球上で遠く離れた電波望遠鏡によって観測された電波を、位相(山・谷)の対応をみながらあわせて使うことにより、地球の大きさの望遠鏡にあたる分解能を得るものだ。

[ここから 2020-06-06]
本間さんは、2019年4月にニュースになった成果をもたらした EHT (Event Horizon Telescope)という国際研究プロジェクトの日本チーム代表をしている。本書でも最後の第10章でこのプロジェクトが紹介されている。ただし、本全体にくらべると簡単な紹介であり、日本チームが何をしているかに重点がある。EHTプロジェクトの全体像については、本書よりも、2019年のニュース以後につくられた解説の本を見たほうがよさそうだ。

第1章。ブラックホールの理屈は一般相対論にもとづくのだが、古典物理学 (ニュートン力学) の範囲でも、天体の重力からの脱出速度が光の速さよりも大きくなってしまう条件を計算することはできる。そして、脱出できない領域の半径を Schwarzschild (シュヴァルツシルト) 半径という。運よく、この半径はそのまま一般相対論にもとづくブラックホールの半径と考えてよい。恒星はその一生の末期には密度が大きくなる。太陽ぐらいの質量だと白色矮星だが、太陽の30倍以上の質量の恒星はブラックホールになる。このブラックホールは本書の主題のものにくらべるとずっと小さなものだ。

第2章。われわれのいる天の川銀河の中心部には、太陽の4百万倍の質量をもつブラックホールがあると考えられている。光が出てこないので直接見えないが、そこでは大きなエネルギー変換が起こっている。

第3章。学説史をさかのぼる。古典物理学のなかで、ブラックホールにあたるものは、イギリスのMitchellが1784年に、フランスのLaplaceが1796年に出した出版物の中で論じている。しかし、いまのブラックホールの理解に直接つながるのは、重力は時空のゆがみをもたらすという一般相対論にもとづいて、Schwarzschild が1916年にしめしたものである。

第4章。宇宙にはたくさんの銀河がある。銀河は相互に動いている。見かけの銀河の動きはわれわれから遠ざかるものが多い。宇宙が膨張しているのだ。それにくわえて、それぞれの銀河が回転している。また、銀河の中心部に高温の「活動銀河中心核」がある。

第5章。1933年に宇宙からの電波がとらえられた。それから電波天文学がはじまる。電波望遠鏡を複数くみあわせて望遠鏡の口径を大きくしたような効果をあげる「電波干渉計」が発明され、1950年代からそれによる観測が活発になった。それでクェーサー (quasar) などの非常に遠方の天体が見つかった。

第6章。クェーサーが大量のエネルギーを出せるしくみとして巨大ブラックホールが考えられた。1960年代に、電波干渉計をつかう VLBI という技術が発達し、クェーサーは非常にあかるい活動銀河中心核であることがわかってきた。1960年代には、X線天文学も発達した。X線源として特定された「はくちょう座 X-1」は、(天の川銀河内の)ブラックホールであろうと考えられる。

第7章。活動銀河中心核には、光や電波の出しかたについてさまざまなものがある。それを統一的に説明する理論をつくる努力もされている。理論で重視されているのは、ブラックホールにどれだけの量のガスが落ちていくかをしめす「降着率」と、ブラックホールの回転である。

第8章。巨大なブラックホールを観測でさがす。天体の運動速度から、大きな質量のあつまりがあることがわかる。そのあたりの光や電波の輝線から、高速で回転しているガス円盤があるとみられる。天の川銀河の中心付近には「いて座 A」という電波源があるが、そのうちに見かけの大きさが小さくて強い電波源「いて座 A スター」があり、これが太陽の4百万倍の質量のブラックホールだと考えられるようになってきた。

第9章。恒星の規模と銀河中心の規模の中間の規模のブラックホールについての研究もおこなわれている。(この章にはそのほかさまざまな研究課題が出てくるが、わたしはついていくのがむずかしい。)

第10章。ブラックホールからの光は見えないが、ブラックホールをふくむ「写真」をとれば「黒い穴」が見えるはずだ。そのためには、視野の分解能を高める必要がある。そこで EHT プロジェクトがおこなわれている。その主役は波長 1 mm 前後のミリ波・サブミリ波の電波望遠鏡をくみあわせた観測だ。

とくに日本チームが力を入れているのは、チリのアタカマ高地にあり、日本が経費のおよそ4分の1を出している、ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)という電波天文台を、VLBI局としてつかうことだ。ふだんのALMAの観測では電波アンテナの信号を「かけざん」するが、VLBIのためには「たしざん」をする必要があり、演算機器やソフトウェアを変更する必要がある。また、大量の観測データを記録する必要があり、媒体としてはハードディスクを使うのだが、ALMAの望遠鏡のある海抜5000 mの場所では空気が薄い(密度が小さい)ので、ハードディスクは標高2900 mの施設におき、そこまでデータを光ファイバーで送ることにしたのだそうだ。【ハードディスクメーカーの製品開発では、空気の密度が海面の半分という動作環境は想定されていなかったのだ。ハードディスクのある室内だけ空気の密度を高くすればよさそうな気もするが、それでは電力から生じる熱をにがせないのだろう。】

また、観測結果の解析について、日本チームでは「スパース(sparse) モデリング」という方法をとっている。259ページの本文では「未知数の多くが0である解」を「疎な解」といい、疎な解をさがす方法がスパースモデリングだ、という説明をしている。【わたしは、未知数どうしの関係をあらわす係数の多くが0であるようなモデルがスパースモデルだと思っていたのだが、ちょっとちがう話なのかもしれない。】

本書の記述は、ALMAが参加した2017年4月のVLBI観測の準備中というところで終わっている。その成果が2019年4月の報道になったのだと思う。

折りかえしのあとに くわしい目次をつける。

== 目次 ==
まえがき
もくじ
第1書 ブラックホールとは何か/
– ブラックホールとは?
– 光も重力も身近な存在
– 重力とニュートン力学
– 脱出速度
– ブラックホールの半径
– とんでもなくコンパクト!
– 恒星の進化とブラックホール
– 白色矮星 — 燃え尽きた太陽
– 中性子星 — ブラックホールの一歩手前の天体
– 歴史にも残る超新星爆発
– 星の最後としてのブラックホール
– [Column] 脱出速度の導出
第2章 銀河の中心に潜む巨大な穴
– 銀河の中心に鎮座するブラックホール
– 突出した巨人
– 実は小さい巨大ブラックホール
– 巨大ブラックホールはとんでもなく明るい!?
– ブラックホールは重力エネルギーで輝く
– 驚異のエネルギー解放効率
– 身の回りのエネルギー: 燃焼反応の場合
– 原子力発電所の場合
– 核融合 — 未来のエネルギー源?
– 夢のブラックホール発電所
– 巨大ブラックホールの現在の描像
– 謎だらけの巨大ブラックホール
第3章 200年前の驚くべき予言
– ブラックホールの提唱者: ジョン・ミッチェル
– 18世紀の天文学事情
– 19世紀はブラックホールの暗黒時代
– 光をめぐる論争
– 光は粒子であり波である
– 相対性理論の誕生
– 光の折れ曲がりの観測
– シュバルツシルト解の発見
– シュバルツシルトの不運
– 一般相対性理論のさらなる予言
– 重力波 — 時空のさざ波
– [Column] 日常生活にも欠かせない相対性理論
第4章 巨大ブラックホール発見前夜
– 大望遠鏡による星雲観測時代の到来
– スペクトルの観測
– 活動銀河中心核の発見
– 熱く輝く活動銀河中心核
– 銀河の運動速度
– 宇宙ジェットの発見
– 星雲とは何か
– 銀河宇宙の確立
– 宇宙は膨張している!
– 活動銀河中心核とセイファート銀河
第5章 新しい目で宇宙を見る — 電波天文学の誕生
– ジャンスキーによる宇宙電波の発見
– 電波強度の単位ジャンスキー (Jy)
– 電波天文学を興したリーバー
– ピンボケ写真から始まった電波天文学
– 電波干渉計の登場
– 干渉計はとっつきにくい!?
– 干渉計で天体の方向を決める
– アンテナ1台の干渉計
– 現代の干渉計の生みの親
– クェーサーの発見
– 巨大ブラックホール説の登場
– [Column] 日本が誇る発明品 「八木・宇田アンテナ」
第6章 ブラックホールの三種の神器
– クェーサーのエネルギー源
– エネルギー論を再び
– 巨大ブラックホールの食欲
– 重いブラックホールのほうが大食い
– X線とブラックホール
– X線天文学の誕生
– X線天文学黎明期の日本人の活躍
– はくちょう座 X-1
– 地球規模の巨大望遠鏡 VLBI
– きわめて小さいクェーサーの中心部
– ジェットの超光速運動
– ブラックホール研究の三種の神器
– 降着円盤
第7章 宇宙は巨大ブラックホールの動物園
– 活動銀河中心核の分類
– 複雑化する種族
– 宇宙は活動銀河中心核の「動物園」
– 統一モデル
– 活動性の大小を決める降着率
– 他力本願な活動銀河中心核たち
– ブラックホール自身の性質
– 隠れたブラックホールはあるか?
第8章 巨大ブラックホールを探せ!
– 銀河中心の質量決定
– まだまだ弱いブラックホールの証拠
– アンドロメダ銀河のブラックホール
– より良い証拠を求めて
– NGC4258の高速回転円盤
– 銀河系中心のブラックホール いて座Aスター
第9章 進む理解と深まる謎
– 巨大ブラックホールの起源
– 中間質量ブラックホール
– 重力波を放出する連星ブラックホール合体
– 謎に包まれた現在の巨大ブラックホールの姿
– 円盤の粘性のもとは何?
– 非標準円盤
– 消えゆくエネルギー
– ブラックホールジェットの加速の謎
– 見え始めたジェットの加速構造
– ブラックホールそのものに残された謎
– [Column] 巨大ブラックホール研究でも活躍するスパコン「アテルイ」
第10章 いよいよ見える巨大ブラックホール
– 見えそうなブラックホールはどれ?
– ブラックホールの「影」を狙え!
– 目指せ、視力300万
– EHTプロジェクト
– いて座Aスターのミリ波観測実験
– M87のジェットの根元
– いて座Aスター周囲の磁力線
– ミリ波VLBIに革命をもたらすALMA
– ALMAのVLBI観測を支える先端技術
– 「解けない方程式」を解く
– スパースモデリングで視力アップ
– 目前にせまった巨大ブラックホールの直接撮像
あとがき
索引

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