2017 年、天文学者は、世界中の電波望遠鏡を調整して単一の惑星サイズの望遠鏡として機能させることにより、ブラック ホールの最初の画像を撮影しました。 イベント ホライズン テレスコープ (EHT) として総称される同期ネットワークは、近くのメシエ 87 銀河の中心にあるブラック ホールである M87* に焦点を合わせました。 望遠鏡のレーザー焦点の解像度は、ブラック ホールの影の最初のビジュアルを表す、暗い中心の周りに非常に薄い光るリングを明らかにしました。
天文学者は、M87* の新しい層を捉えるために視野を再調整しました。 の科学者を含むチーム[{” attribute=””>MIT’s Haystack Observatory, has harnessed another global web of observatories — the Global Millimeter VLBI Array (GMVA) — to capture a more zoomed-out view of the black hole.
The new images, taken one year after the EHT’s initial observations, reveal a thicker, fluffier ring that is 50 percent larger than the ring that was first reported. This larger ring is a reflection of the telescope array’s resolution, which was tuned to pick up more of the super-hot, glowing plasma surrounding the black hole.
For the first time, scientists could see that part of the black hole’s ring consists of plasma from a surrounding accretion disk — a swirling pancake of white-hot electrons that the team estimates is being heated to billions of degrees Celsius as the plasma streams into the black hole at close to the speed of light.
This image shows the jet and shadow of the black hole at the centre of the M87 galaxy together for the first time. The observations were obtained with telescopes from the Global Millimetre VLBI Array (GMVA), the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), of which ESO is a partner, and the Greenland Telescope. This image gives scientists the context needed to understand how the powerful jet is formed. The new observations also revealed that the black hole’s ring, shown here in the inset, is 50% larger than the ring observed at shorter radio wavelengths by the Event Horizon Telescope (EHT). This suggests that in the new image we see more of the material that is falling towards the black hole than what we could see with the EHT. Credit: R.-S. Lu (SHAO), E. Ros (MPIfR), S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF)
The images also reveal plasma trailing out from the central ring, which scientists believe to be part of a relativistic jet blasting out from the black hole. The scientists tracked these emissions back toward the black hole and observed for the first time that the base of the jet appears to connect to the central ring.
“This is the first image where we are able to pin down where the ring is, relative to the powerful jet escaping out of the central black hole,” says Kazunori Akiyama, a research scientist at MIT’s Haystack Observatory, who developed the imaging software used to visualize the black hole. “Now we can start to address questions such as how matter is captured by a black hole, and how it sometimes manages to escape.”
Akiyama is part of an international team of astronomers who present the new images, along with their analysis, in a paper published on April 26 in the journal Nature.
An expanded eye
To capture images of M87*, astronomers used a technique in radio astronomy known as very-long-baseline interferometry, or VLBI. When a radio signal passes by Earth, such as from a black hole’s plasma emissions, radio dishes around the world can pick up the signal. Scientists can then determine the time at which each dish registers the signal, and the distance between dishes, and combine this information in a way that is analogous to the signal being seen by one very large, planet-scale telescope.
When each radio telescope is dialed to a specific frequency, the array as a whole can focus in on a particular feature of the radio signal. The EHT’s network was tuned to 1.3 millimeters — a resolution equivalent to seeing a grain of rice in California, from Massachusetts. At this resolution, astronomers could see past most of the plasma surrounding M87* and image the thinnest ring, thereby accentuating the black hole’s shadow.
In contrast, the GMVA network works at a slightly longer wavelength of 3 millimeters, giving it a slightly lower angular resolution. With this focus, the array could resolve a pumpkin seed, rather than a grain of rice. The network itself consists of about a dozen radio telescopes scattered around the United States and Europe, mostly located along the east-west axis of the Earth. To make a truly planet-sized telescope able to capture a far-off radio signal from M87*, astronomers had to expand the array’s “eye” to the north and south.
To do so, the team involved two additional radio observatories: the Greenland Telescope to the north, and the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) to the south. ALMA is an array of 66 radio dishes located in Chile’s Atacama Desert. MIT Haystack scientists, including Principal Research Scientist Lynn Matthews, worked to phase, or synchronize, ALMA’s dishes to work as one powerful and essential part of the GMVA network.
“Having these two telescopes [as part of] グローバル配列の結果は
南北方向で角度分解能が 4 倍になります」と Matthews 氏は言います。 「これにより、私たちが見ることができる詳細レベルが大幅に向上します。 この場合、結果として、M87 銀河の中心にあるブラック ホールの近くで動作している物理学の理解が劇的に飛躍しました。」
チューニング
2018 年 4 月 14 日と 15 日に、天文学者は GMVA の望遠鏡をグリーンランドとアルマの天文台と共に調整し、M87 銀河の方向から到達する 3 mm の波長の電波放射を記録しました。 その後、科学者は、秋山が開発したものを含むいくつかの画像処理アルゴリズムを使用して、GMVA の観測を視覚画像に処理しました。
結果として得られた写真は、より大きくふわふわしたリングの形で、ブラック ホールを取り囲むより多くのプラズマを示しています。 天文学者はまた、プラズマが中央の輝くリングから出入りするのを見つけることができました。
「興味深いのは、ブラック ホールを囲む中央の暗い領域がまだ見られることですが、この中央のリングから発生する、より拡張されたジェットも見られるようになったことです」と秋山氏は言います。
天文学者たちは、温度プロファイルや組成など、ブラック ホールのプラズマのより多くの特性を突き止めることを望んでいます。 このため、彼らは EHT と GMVA を新しい解像度に調整する予定です。 M87* を複数の波長で観測することにより、層状の画像を作成し、ブラック ホールとそれが生成するジェットをより詳細に理解することができます。
ALMA と EHT のサポートに取り組んでいるヘイスタックの研究科学者、ジェフリー クルーは、次のように述べています。 「これは違いはありません。 EHT M87* 画像は FM で作成され、この結果は AM から得られたと考えるかもしれません。 どちらも物語を語っており、一緒にするとより良い物語になります。」
この発見の詳細については、強力なジェットを放出するブラック ホールの史上初の直接画像を参照してください。
参考文献：「ブラックホールとジェットをつなぐM87のリング状降着構造」 ルー・セン・ルー、浅田啓一、トーマス・P・クリクバウム、パク・ジョンホ、田崎文枝、プー・ホンイ、中村正則、アンドレイ・ロバノフ、カズヒロ羽田、秋山和典、キム・ジェヨン、イヴァン・マルティ＝ヴィダル、ホセ・L・ゴメス、川島智久、フェン・ユアン、エドゥアルド・ロス、ウォルター・アレフ、シルケ・ブリッツェン、マイケル・ブレマー、エイヴリー・E・ブロデリック、土井昭宏、ガブリエーレ・ジョバンニーニ、マルチェロジロレッティ、ポール・TP・ホー、マレキ・ホンマ、デヴィッド・H・ヒューズ、井上誠、ウー・ジャン、キノ・モトキ、小山祥子、マイケル・リンドクヴィスト、ジュン・リウ、アラン・P・マーシャー、松下聡樹、永井宏、ヘルゲ・ロットマン、トゥオマス・サヴォライネン、カール-Friedrich Schuster、Zhi-Qiang Shen、Pablo de Vicente、R. Craig Walker、Hai Yang、J. Anton Zensus、Juan Carlos Algaba、Alexander Allardi、Uwe Bach、Ryan Berthold、Dan Bintley、Do-Young Byun、Carolina Casadio、 Shu-Hao Chang、Chih-Cheng Chang、Song-Chu Chang、Chung-Chen Chen、Ming-Tang Chen、Ryan Chilson、Tim C. Chuter、John Conway、Geoffrey B. Crew、Jessica T. Dempsey、Sven Dornbusch、Aaron Faber、Per Friberg、Javier González García、Miguel Gómez Garrido、Chih-Chiang Han、Kuo-Chang Han、長谷川豊、Ruben Herrero-Illana、Yau-De Huang、Chih-Wei L. Huang、Violette Impellizzeri、Homin Jiang、Haoジンチ、チョン・テヒョン、ユハ・カランキ、ペトリ・カーヴェス、木村公宏、ジュン・イー・コーアイ、パトリック・M・コッホ、カーステン・クレイマー、アレックス・クラウス、デレク・クボ、チェン・ユー・クオ、チャオ・テ・リー、ルパン・チュン・チェ・リン、チン・Tang Liu、Kuan-Yu Liu、Wen-Ping Lo、Li-Ming Lu、Nicholas MacDonald、Pierre Martin-Cocher、Hugo Messias、Zheng Meyer-Zhao、Anthony Minter、Dhanya G. Nair、Hiroaki Nishioka、Timothy J. Norton、ジョージ・ニストロム、小川秀夫、ピーター・オシロ、ニメシュ・A・パテル、ウエリー・ペン、ユーリー・ピドプリホラ、ニコラス・プラデル、フィリップ・A・ラフィン、ランプラサード・ラオ、イグナシオ・ルイス、サルバドール・サンチェス、ポール・ショウ、ウィリアム・スノー、TK・スリダラン、ランジャニ・スリニヴァサン、ベレン・テルセロ、パブロ・トルネ、エフタリア・トライアノウ、ヤン・ワグナー、クレイグ・ウォルター、タ・シュン・ウェイ、ジュン・ヤン、チェン・ユー・ユー、2023年4月26日、 自然.
DOI: 10.1038/s41586-023-05843-w