科学者が初めてブラックホールの写真を投稿したニュースをご存知でしょうか。この絵は、天文学の分野だけでなく、全世界にとって驚くべきニュースでした。この写真は、新しい情報の扉への第一歩となりました。宇宙は、新しい情報を得るたびに、より啓発され、そのおかげで、私たちは、この地球を超えたすべての謎をよりよく理解することができるのです。
先日、12人の受賞者が2020年のノーベル賞を受賞し、そのうちの一人がいかに人類に著しく貢献した研究、発見をしたかが分かりました。彼らは皆素晴らしい研究者であり、ここで一人一人の話をしたいところですが、今日は最初のブラックホールの絵の背景をよりよく説明し理解するために、ノーベル物理学賞受賞者のロジャー・ペンローズ、ラインハルト・ゲンゼル、アンドレア・ゲズの仕事についてお話します。
ノーベル賞の公式サイトによると、受賞者は「ブラックホール形成が一般相対性理論の確実な予測であることの発見」と「銀河の中心に超巨大コンパクト天体があることの発見」に対して認められました。ペンローズは、アインシュタインの相対性理論とブラックロールの関係を数学的に証明し、ラインハルト・ゲンツェルとアンドレア・ゲズの研究は、我々の天の川銀河の中心にブラックホールが存在することを証明しました（現在、射手座A*という名前で知られています）。
このテーマを理解するためには、「ブラックホールとは何か」「どのようにできているのか」「どこにあるのか」など、ブラックホールに関する基本的な概念を知る必要があります。どこにあるのか？
まず知っておかなければならないのは、天文学の分野でよく使われる概念で、「時空とは何か」ということです。時空とは、3次元の空間と1次元の時間の4次元の多様体であり、座標系では(x,y,z,t)となります。面白いのは、この座標系における一点をイベントと呼ぶことである。ということで、ブラックホールの定義を得ることができる。
ブラックホールとは、時空間領域 どんなガス、塵、粒子、光さえもそこから抜け出すことができないほど、しかし非常に強い重力があるところです。それらはすべて重力によってブラックホールに強く引き寄せられ、消えていき、今日でも科学者にとって未知の場所へと向かっていくのです。ここで興味深いのは、もし光でさえこの力から自由になれないのなら、ブラックホールを見ることはできないし、ブラックホールがどこにあるのかさえもわからないということです。黒い背景の中に黒い物体を見ようとすると、見えないし、見えたとしても非常に難しいというのと同じです。では、科学者はどのようにそれを行っているのでしょうか？
ブラックホールは、通常、太陽よりはるかに重い大質量の星が、その寿命を終えて崩壊するときに形成されると考えられています。死んだ星がブラックホールになるか、中性子星になるかは、質量が非常に重要な要素になります。一般相対性理論によれば、この超巨大質量星は重力のために非常に小さな空間に押し込められ、そのコンパクトな質量が時空を歪めてブラックホールを形成する。
この時空の歪みにより、高密度質量体の中心を指す重力加速度が発生する。そして、この力によって、ブラックホール近傍のガスや粒子は回転速度を増し、ブラックホールに強制的に引き寄せられるようになる。この現象は 降着円盤.
この重力と摩擦力によって、電荷を持つすべてのガスや粒子は、温度上昇だけでなく、赤外線やX線といった異なる周波数の電磁波を発生させるのです。この驚くべき特性により、ブラックホールを「見る」ことができるのです。これは良いことですが、科学者の仕事を100％促進するものではありません。追跡できる周波数を持っていても、「ああ、見てください、空のあそこにブラックホールがありますよ」とは言えません。ブラックホールの光は普通の星と同じように扱うことはできません。しかし、最初からある黒い物体が、黒い背景の中でほんのり光っているのは良いことです。
ブラックホールの最初の写真では、降着円盤を見ることができます。このブラックホールは、太陽の650万倍の重さで、地球から5300万光年の距離にあるメシエ87銀河の中にある。この写真は、世界中の8つの異なる望遠鏡、イベントホライゾンテレスコープ、およびいくつかの他の宇宙望遠鏡ミッションからのタイムワークで可能になり、彼らは一緒に2017年4月に、M87から同時にデータをキャプチャしました。それぞれがブラックホールから異なるデータを取得し、その後、すべてをまとめて画像を形成しています。一見、簡単そうに聞こえますが、科学者はすべてのデータを完全に理解し、それをどのように扱うか、どのアルゴリズムを使うか、どのように使うかを理解するために懸命に努力しなければならなかったのです。
1997年に発表されたGenzel氏の論文では、1992年から1996年までの5年間に収集されたデータが、Sgr A*のすぐ近くにある高速で運動する星を捉えており、これらの星の真ん中に非常に大きく重い暗黒物質が存在していることを示しました。この論文では、「この密度では、通常の星、星の残骸、恒星は安定に配置されていない」と述べられています。そして、「天の川の中心には巨大なブラックホールがあるに違いない」と結論づけている。
1998年に発表されたGhez氏の別の論文でも、「恒星表面密度と速度分散の両方のピークが、ブラックホール候補（当時はまだ候補）Sgr A*の位置と一致する」（GHEZ et al.、1998）とあるように、2年間の研究で同じ場所で動き出すパターンが検出されています。この研究で使われた画像は、降着円盤が放射する近赤外線の波長で取得されたものです。
ここでは、これらの記事を簡単に紹介します。
GENZEL, R. et al. 天の川中心部の暗黒物質の性質について。 英国王立天文学会月報291, n. 1, p. 219-234, 11 out.1997.
GHEZ, A. M. et al. 射手座 A 優先星付近の高プロパー星。銀河系中心部の超巨大ブラックホールの証拠. アストロフィジカルジャーナル509, n. 2, p. 678-686, dez. 1998.
GHEZ, A. M. et al. 天の川銀河の中心部にある超巨大ブラックホールの距離と性質を恒星周回軌道で測定する。 アストロフィジカルジャーナル689, n. 2, p. 1044-1062, dez. 2008.
宇宙はとても美しいと思いませんか？
ノーベル物理学委員会のデイヴィッド・ヘイヴィランド委員長が言ったように、「...これらのエキゾチックな天体は、答えを求め、将来の研究の動機となる多くの質問をまだ投げかけている」のです。内部構造に関する疑問だけでなく、ブラックホール近傍の極限状態において、我々の重力理論をどのように検証するかという疑問もある」と述べています。とはいえ、次の休みを楽しみにしながら、私たちはここにいますよ。今年の受賞者の皆さん、ありがとうございました。 ロジャー・ペンローズ、ラインハルト・ゲンツェル と アンドレア・ゲズあなたは最高です
ロジャー・ペンローズの仕事についても読みたい方は、彼の仕事について説明した記事をいくつか紹介します。そのうちの一つは、伝説的な スティーブン・ホーキング博士.こちらの記事もご覧ください。
HAWKING, S.; PENROSE, R. The Nature of Space and Time. アメリカン・ジャーナル・オブ・フィジックス1997年7月1日、v. 65, n. 7, p. 676-676.
EHLERS, J.; RINDLER, W.; PENROSE, R. Relativistic Mechanics の基礎としてのエネルギー保存。II.アメリカン・ジャーナル・オブ・フィジックス, v. 33, n. 12, p. 995-997, 1 dez. 1965.
NEWMAN, E.; PENROSE, R. An Approach to Gravitational Radiation by a Method of Spin Coefficients（スピン係数の方法による重力放射へのアプローチ）.数理物理学雑誌, v. 3, n. 3, p. 566-578, 1 maio 1962.
相対論的力学の基礎としてのエネルギー保存法(PENROSE, R.; RINDLER, W.).アメリカン・ジャーナル・オブ・フィジックス, v. 33, n. 1, p. 55-59, 1 jan 1965.
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