ノーベル賞と最初のブラックホール写真

科学者によって初めてブラックホールの写真が投稿されたニュースをご存知でしょうか。この写真は、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ったのです。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、地球の外にあるすべての謎をよりよく理解することができるようになりました。

先日、12名の受賞者が2020年のノーベル賞を受賞されましたが、そのうちのお一人が、研究や発見で人類に多大な貢献をされたことがわかりました。彼らは皆素晴らしい研究者であり、ここで一人一人について話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、ノーベル物理学賞を受賞したロジャー・ペンローズ、ラインハルト・ゲンツェル、アンドレア・ゲズの研究成果についてお話しします。

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を発見したこと」と「銀河系の中心に超巨大コンパクト天体があることを発見したこと」を評価された。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・ロールが結びついていることを数学的に証明し、ラインハルト・ゲンツェルとアンドレア・ゲズの研究により、現在射手座A*という名前で知られている天の川銀河の中心部にブラックホールがあることを証明したのである。

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」「ブラックホールとは何でできているのか」「ブラックホールはどこにあるのか」など、ブラックホールに関するいくつかの基本概念を知っておく必要があります。どこにあるのか？

まず知っておかなければならないのは、天文分野の多くの話題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次元の時間からなる4次元の多様体であり、座標系では(x,y,z,t)となる。面白いのは、この座標系における1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ます。

ブラックホールとは、時空間領域 重力が非常に強く、どんなガス、塵、粒子、光でさえもそこから抜け出すことができない場所です！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、科学者にとって今日でも未知の場所へと消えていく。ここで興味深いのは、光さえもこの力から逃れられないのであれば、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。黒い背景の中にある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のと同じです。では、科学者はどのようにしてそれを実現したのでしょうか？

理論的には、ブラックホールは、太陽よりも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のが普通です。質量は、死んだ星がブラックホールになるか中性子星になるかを決定する非常に重要な要素です。一般相対性理論によれば、この超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変形させることでブラックホールを形成する。

この時空の変形は、高密度質量体の中心を指し示す重力加速度力を生み出す。そして、この力によって、ブラックホールに近いガスや粒子が回転速度を増して、ブラックホールに強制的に引き寄せられるようになります。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線などの異なる周波数の電磁波を発生させます。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。しかし、科学者の仕事が100％うまくいくわけではありません。周波数を追跡することはできても、「ほら、空のあそこにブラックホールがある」と言うことはできません。ブラックホールの光を普通の星と同じように扱うことはできません。しかし、冒頭の黒い物体が、黒い背景の中でわずかに光っているのは良いニュースです。

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6,500万倍の重さで、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望遠鏡、および他の宇宙望遠鏡のミッションからのタイムワークで実現され、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。それぞれの望遠鏡がブラックホールから異なるデータを取得し、その後、すべてのデータをまとめて画像にしました。一見、簡単でワンステップのように聞こえますが、科学者はすべてのデータを完全に理解し、それをどう扱うか、どのアルゴリズムをどう使うかを理解するために努力しなければなりませんでした。

Genzelは1997年に発表した論文で、1992年から1996年までの5年間に収集したデータから、Sgr A*のすぐ近くに高速で動く星があること、そしてこれらの星の真ん中に非常に大きく重い闇の質量が存在していることを示しました。「この密度では、普通の星、恒星の残骸、恒星以外の星は存在しない」と、この論文（GENZEL et al.）結論として、「天の川銀河の中心には、巨大なブラックホールが存在するはずである」。

1998年に発表されたGhez氏の別の論文では、「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*の位置に一致する」（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を検出しました。この研究に使われた画像は、降着円盤が放射する近赤外線の波長で得られたものです。

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。 王立天文学会月報, v. 291, n. 1, p. 219-234, 11 out.1997.

GHEZ, A. M. et al. 射手座 Aast 付近の高プロパーモーション星：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ビッド・ハビランド委員長は、「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疑問をまだ投げかけている」と述べています。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のもとで私たちの重力理論をどのように検証するかという疑問もあります」と述べています。とはいえ、次の休みを楽しみにしながら、私たちはここにいる！それでは、今年の受賞者の方々に感謝いたします。 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・ゲズは、あなたは素晴らしいです！

ロジャー・ペンローズの仕事についても読みたい方は、彼の仕事について書かれた記事をいくつかご紹介します。そのうちの1つは、伝説的な論文である "Science "と共に出版されたものです。スティーブン・ホーキング.こちらの記事もご覧ください：

HAWKING, S.; PENROSE, R. The Nature of Space and Time（空間と時間の本質）. アメリカンジャーナルオブフィジックス65, n. 7, p. 676-676, 1 jul. 1997.

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. 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なるエネルギー保存。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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