ブラックホール

２００１年１２月６日宇電懇シンポ ブラックホール三好　真ＶＬＢＩ天文学かなり我流に話します。中心核ブラックホ－ルに限ります。言いたいことはあるが、ブラックホール研究の全体を正確にレヴュー出来る講演者ではない。

前世紀に於けるブラックホール（１） あるんじゃないか？ということが言われだしたのが２０世紀

Ｍ８７に「光の矢」をカーチスが見つける（１９１８年）　Ｍ８７に「光の矢」をカーチスが見つける（１９１８年）　ＭＢＨは観測的にはこのへんから始まっている（らしい）。

ＣｙｇＡの二つ目玉構造（画像：VLA２１ｃｍ）ＣｙｇＡの二つ目玉構造（画像：VLA２１ｃｍ）さらにクエーサの発見（１９６３）核融合（恒星）などでは説明できないエネルギーを発する天体現象

巨大ブラックホール仮説

前世紀に於けるブラックホール（２） 前世紀末の結論。あることがわかった。

ハッブル宇宙望遠鏡は乙女座にあるＭ８７を観測し、銀河の中心部分のガスの速度を測定、その速さから太陽質量の約３０億倍の巨大ブラックホールがあることを突き止めた。　電波や光の観測からは中心からジェットが放出されていることがわかっている。　ハッブル宇宙望遠鏡は数十個の巨大ブラックホールの質量を測定している。ハッブル宇宙望遠鏡は乙女座にあるＭ８７を観測し、銀河の中心部分のガスの速度を測定、その速さから太陽質量の約３０億倍の巨大ブラックホールがあることを突き止めた。　電波や光の観測からは中心からジェットが放出されていることがわかっている。　ハッブル宇宙望遠鏡は数十個の巨大ブラックホールの質量を測定している。

地上の望遠鏡による赤外線観測でとらえた我々の銀河中心像。秒速千kmを越える高速で星が軌道運動していることがわかった。これにより、我々の銀河中心ＳｇｒＡ＊は２６０万太陽質量のブラックホ－ルであることがわかった。恒星の（軌道）加速度運動が見えるとは恐ろしい時代。(Ｇｈｅｚ他２０００）地上の望遠鏡による赤外線観測でとらえた我々の銀河中心像。秒速千kmを越える高速で星が軌道運動していることがわかった。これにより、我々の銀河中心ＳｇｒＡ＊は２６０万太陽質量のブラックホ－ルであることがわかった。恒星の（軌道）加速度運動が見えるとは恐ろしい時代。(Ｇｈｅｚ他２０００）

ＶＬＢＩ（超長基線電波干渉計）による銀河Ｍ１０６（ＮＧＣ４２５８）の観測からは、中心部の重力によって秒速約千Kmの速度で回転するガス円盤が見つかっている。太陽系の惑星と同じくケプラー運動している。　わずか半径０．３光年の空間に太陽質量の３９００万倍の天体がなくてはならず、そのような高密度はブラックホール以外では説明できない。ＶＬＢＩ（超長基線電波干渉計）による銀河Ｍ１０６（ＮＧＣ４２５８）の観測からは、中心部の重力によって秒速約千Kmの速度で回転するガス円盤が見つかっている。太陽系の惑星と同じくケプラー運動している。　わずか半径０．３光年の空間に太陽質量の３９００万倍の天体がなくてはならず、そのような高密度はブラックホール以外では説明できない。 3900万太陽質量 3.4×10９Ｍｓｐｃ－３

脇道にそれて：メガメーザ関連の動向（１） 石原、中井ほかによるＩＣ２５６０の水メーザ観測（２００１） 280万太陽質量 2.1×10９Ｍｓｐｃ－３

NGC6240 新しいメガメーザの探索の例　　　　　ＮＧＣ６２４０　（図はHagiwara他２００２）サーベイすると幾つか見つかるが(現在24天体)、ＶＬＢＩで観測して十分な解像を行うには、暗い、という状態脇道にそれて：メガメーザ関連の動向（２）

前世紀末から 数のハッブル宇宙望遠鏡、観測精度のＶＬＢＩ、と赤外線観測ＭＢＨの質量の統計がとれるところまできた。

巨大ブラックホールの質量測定 主にハッブル望遠鏡の観測から数十の銀河で行われている。統計的研究が可能になった。表はGebhardt他（２０００）ApJ...539L..13Gより

ブラックホールの質量と銀河（バルジ）の光度、速度分散の間に密接な関連があることがわかった（図はGebhardt他２０００）。 Ferrarese & Merritt 2000, ApJ, 539, L9 、Magorrian, J., et al. 1998, AJ, 115, 2285、などがこれらの関係を見つけた。銀河形成、中心核ＢＨ形成を知る手がかり

新種ブラックホール発見 2000年9月13日鶴 剛(京都大学物理)、松本浩典(マサチューセッツ工科大学)、松下聡樹(ハーバード大学スミソニアン宇宙物理学研究所)、川辺良平(国立天文台野辺山)、小山勝二(京都大学物理)、粟木久光(愛媛大学物質理学)、河合誠之(理化学研究所)、日本天文学会これまで、Ｘ線をはじめとする様々な観測から、宇宙には二種類のブラックホールが存在していることが分かっていました。一つは白鳥座X-1新種ブラックホール発見 2000年9月13日鶴剛(京都大学物理)、松本浩典(マサチューセッツ工科大学)、松下聡樹(ハーバード大学スミソニアン宇宙物理学研究所)、川辺良平(国立天文台野辺山)、小山勝二(京都大学物理)、粟木久光(愛媛大学物質理学)、河合誠之(理化学研究所)、日本天文学会これまで、Ｘ線をはじめとする様々な観測から、宇宙には二種類のブラックホールが存在していることが分かっていました。一つは白鳥座X-1に代表される太陽の5～10倍の質量を持った小型ブラックホールで、恒星がその進化の終末に起こす超新星爆発の中から誕生すると考えられています。もう一つは、銀河の中心に存在する太陽の百万倍以上の質量を持つ巨大ブラックホールで、中には我々の銀河系一個分の質量(太陽の千億倍)に迫るものもあります。このような巨大ブラックホールはクェーサーなどの特別な銀河の中心にのみ存在するのではなく、私達の銀河系やアンドロメダ銀河といったごく普通の銀河の中心にも一般的に存在していることが、最近の観測から分かってきました。しかし、この巨大ブラックホールは一体いつどのように生まれたのでしょうか？世界中の天文学者が精力的にこの謎を追い掛けているかかわらず、未だ解明されていません。この巨大ブラックホールの誕生のメカニズムは、現代天文学の大きな謎の一つなのです。その謎を探るために、私達は大熊座の若い銀河である不規則銀河M82にターゲットを絞り、図1の四角で囲まれた領域をアメリカのＸ線天文衛星チャンドラを用いて精密なＸ線観測を行いました。チャンドラ衛星は、世界最高の光学望遠鏡の一つである日本の「すばる」望遠鏡に迫るピントの良いＸ線カメラを持ち、Ｘ線で銀河系中心部の複雑な構造を細かく調べることが初めて可能になった画期的な衛星です。図2は私達が撮影したM82の中心領域のＸ線写真です。写真右側に見える、ひときわ明るく輝くＸ線星が新しく発見されました。このＸ線星の明るさとその時間変化を調べるたところ、この星はブラックホールであることは間違い無く、しかもその質量はこれまで知られていた二種類のブラックホールのどちらにも含まれない、ちょうど両者の中間の質量を持つブラックホールであることが分かりました。私達はこれまで存在すら知られていなかった新種のブラックホール、つまり「中質量ブラックホール」をM82の中で初めて見つけ出したのです。この中間の質量を持つブラックホールは、どうしてそこに生まれたのでしょうか？M82がスターバーストと呼ばれる現象を起こしていることに、その謎を解く鍵があると私達は考えています。スターバーストとは一度に大量の恒星が連鎖反応的に誕生する現象のことです。M82 の中心領域では、私達の銀河系の数千倍のスピードで恒星が誕生し、やがて超新星爆発を起こし、数多くのブラックホールが現在も誕生し続けています。実際、今回発見された中質量ブラックホールの近くに、やや小型のブラックホールがいくつも一緒に発見されました(図2 の矢印)。ここはさながら、星とブラックホールの超過密地域であると言えるでしょう。このような超過密地域では頻繁に星同士の近接遭遇や衝突が起ります。その結果、恒星や小型のブラックホール同士が次々と合体し、中質量ブラックホールが生まれたのではないかと、私達は考えています。そして現在も周囲の恒星や小型ブラックホールを飲み込み続け、ますます成長をしているはずです。今回発見した中質量ブラックホールは、このように合体と成長とそれに伴う大爆発を繰り返しながら、現在空席となっているM82の中心に落ち込んで行き、やがては銀河の中心の巨大ブラックホールに成長していくに違いありません。代表される太陽の5～10倍の質量を持った小型ブラックホールで、恒星がその進化の終末に起こす超新星爆発の中から誕生すると考えられています。もう一つは、銀河の中心に存在する太陽の百万倍以上の質量を持つ巨大ブラックホールで、中には我々の銀河系一個分の質量(太陽の千億倍)に迫るものもあります。このような巨大ブラックホールはクェーサーなどの特別な銀河の中心にのみ存在するのではなく、私達の銀河系やアンドロメダ銀河といったごく普通の銀河の中心にも一般的に存在していることが、最近の観測から分かってきました。しかし、この巨大ブラックホールは一体いつどのように生まれたのでしょうか？世界中の天文学者が精力的にこの謎を追い掛けているかかわらず、未だ解明されていません。この巨大ブラックホールの誕生のメカニズムは、現代天文学の大きな謎の一つなのです。その謎を探るために、私達は大熊座の若い銀河である不規則銀河M82にターゲットを絞り、図1の四角で囲まれた領域をアメリカのＸ線天文衛星チャンドラを用いて精密なＸ線観測を行いました。チャンドラ衛星は、世界最高の光学望遠鏡の一つである日本の「すばる」望遠鏡に迫るピントの良いＸ線カメラを持ち、Ｘ線で銀河系中心部の複雑な構造を細かく調べることが初めて可能になった画期的な衛星です。図2は私達が撮影したM82の中心領域のＸ線写真です。写真右側に見える、ひときわ明るく輝くＸ線星が新しく発見されました。このＸ線星の明るさとその時間変化を調べるたところ、この星はブラックホールであることは間違い無く、しかもその質量はこれまで知られていた二種類のブラックホールのどちらにも含まれない、ちょうど両者の中間の質量を持つブラックホールであることが分かりました。私達はこれまで存在すら知られていなかった新種のブラックホール、つまり「中質量ブラックホール」をM82の中で初めて見つけ出したのです。この中間の質量を持つブラックホールは、どうしてそこに生まれたのでしょうか？M82がスターバーストと呼ばれる現象を起こしていることに、その謎を解く鍵があると私達は考えています。スターバーストとは一度に大量の恒星が連鎖反応的に誕生する現象のことです。M82の中心領域では、私達の銀河系の数千倍のスピードで恒星が誕生し、やがて超新星爆発を起こし、数多くのブラックホールが現在も誕生し続けています。実際、今回発見された中質量ブラックホールの近くに、やや小型のブラックホールがいくつも一緒に発見されました(図2の矢印)。ここはさながら、星とブラックホールの超過密地域であると言えるでしょう。このような超過密地域では頻繁に星同士の近接遭遇や衝突が起ります。その結果、恒星や小型のブラックホール同士が次々と合体し、中質量ブラックホールが生まれたのではないかと、私達は考えています。そして現在も周囲の恒星や小型ブラックホールを飲み込み続け、ますます成長をしているはずです。今回発見した中質量ブラックホールは、このように合体と成長とそれに伴う大爆発を繰り返しながら、現在空席となっているM82の中心に落ち込んで行き、やがては銀河の中心の巨大ブラックホールに成長していくに違いありません。前世紀末の事件中質量ブラックホ－ルの存在が確認される。

前世紀末の事件 中質量ブラックホ－ルの存在が確認される。

前世紀末 質量が計測され、統計がとれるようになった。その結果、銀河形成、ＭＢＨ形成のシナリオを考えることができるようになった。これが２１世紀はじめにおける動向一方、ＢＨそのもの観測的研究は？関連する現象（ジェット現象）はたくさん見え、たくさんの観測がある、御本尊は見えない

ＶＬＢＡ（VLBIArray） ２５ｍ鏡１０台最大８０００km基線（最小フリンジ間隔０．２mas＠４３ＧＨｚ）３００ＭＨｚ～４３ＧＨｚ高空間分解能の装置といえばＶＬＢＩです。

宇宙研スペースＶＬＢＩ 「はるか」　口径８ｍ３万キロの基線

最高の空間分解能をもつ ＶＬＢＩでは、いつも、中心核にせまろうとして観測するが、いつまでも、コア＋ジェット構造が見える（だけ）中心核、降着円盤は依然よくわからない。。。。。。。　　　　　　　　　　　　

Ｍ８７の中心核 (VLA、VLBA）３０億太陽質量５０００万光年これはコアが見えてるマップではない。ジェットの根本です。

降着円盤は • これまで、（ちっとも）見えてない。 • ＰＣスケールのトーラスの存在は見えてる。。。。。。

The Astrophysical Journal, 553:968-977, 2001 June 1IntheShadowoftheAccretionDisk:HigherResolutionImagingoftheCentralParsecinNGC4261Dayton L. Jones　他

亀野誠二ら（２００１）ＮＧＣ１０５２

ブラックホールはどんなふうに見えるか？

理論的研究から計算されたブラックホール像（例）ブラックホールそのものは見えないが、その重力による光の屈折によって、中心部分に暗がりができる。またブラックホールの周囲に降着円盤はドップラー効果で左右の明るさが変わる上、光の屈折（重力レンズ効果）のため、向こう側の円盤部分がせり上がって、見えてしまう。http://quasar.cc.osaka-kyoiku.ac.jp/~fukue/より。理論的研究から計算されたブラックホール像（例）ブラックホールそのものは見えないが、その重力による光の屈折によって、中心部分に暗がりができる。またブラックホールの周囲に降着円盤はドップラー効果で左右の明るさが変わる上、光の屈折（重力レンズ効果）のため、向こう側の円盤部分がせり上がって、見えてしまう。http://quasar.cc.osaka-kyoiku.ac.jp/~fukue/より。

福江純氏ホームページから

見えたら、「強い重力場に於ける相対論の検証」でノーベル賞。ついで「降着円盤観測天文学」の誕生。見えたら、「強い重力場に於ける相対論の検証」でノーベル賞。ついで「降着円盤観測天文学」の誕生。このような強い重力場のおける相対論の検証は重力波の解析もしくはＶＬＢＩでの解像によるしかない（らしい）太陽が唯一像を観測できる恒星であるように、最初の解像できるＢＨの降着円盤が現れたら、へリオグラフが太陽を観測するように、或期間、モニターすることになるだろう。

電波へリオグラフ＆ ようこう特定天体モニター望遠鏡太陽をモニター観測する望遠鏡があるようにＭＢＨの降着円盤をモニターする望遠鏡を。

我々の銀河中心ＳｇｒＡ＊が断然の観測候補。我々の銀河中心ＳｇｒＡ＊が断然の観測候補。

各ブラックホールの質量とＲｓ、Ｓｈａｄｏｗの直径各ブラックホールの質量とＲｓ、Ｓｈａｄｏｗの直径ＳｇｒＡ＊のＲｓが圧倒的に見かけが大きい（直径６．４μ秒角）観測されているブラックホールの質量と距離から、そのブラックホールの半径（ｼｭﾜﾙﾂｼｰﾙﾄﾞ半径）と暗がり（Shadow）の見かけの大きさを計算。すると、我々の銀河中心ＳｇｒＡ＊のブラックホールが最も大きく見えることがわかった。　３０マイクロ秒角の暗がり（影、Ｓｈａｄｏｗ）がみえる。現在達成されているＶＬＢＩの解像力が２倍程度よくなれば、見える大きさだ。

ＳｇｒＡ＊の VLBIによる像（５ＧＨｚから４３ＧＨｚ）Ｌｏ　ｅｔ　ａｌ　（１９９９）からセンチ波、ミリ波のＶＬＢＩでは、像がぼやけて、構造はわからない。

回転あり 回転なし実像　　　　　VLBI像０．６ミリ　　VLBI像１．３ミリ Imageof an optically thinemission region surrounding ablack hole with thecharacteristics of Sgr A*at the Galactic center.The black hole ishere either (ac) maximallyrotating (a* = 0.998)or (df) nonrotating (a*= 0). The emittinggas is assumed tobe in free fallwith an emissivity proportionalto r-2 (top panels) oron Keplerian shells (bottom panels)with a uniform emissivity(viewing angle i =45). (a, d) GRray-tracing calculations; (b, e)images seen by anidealized VLBI array at0.6 mm wavelength, takinginterstellar scattering into account;and (c, f) imagesseen for a wavelengthof 1.3 mm. Theintensity variations along thex-axis (solid green curve) and they-axis (dashed purple curve) are overlayed.The vertical axes showthe intensity of thecurves in arbitrary units,and the horizontal axesshows the distance fromthe black hole inunits of Rg, which,for Sgr A*, is3.9 × 1011 cm 3 as. 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｆａｌｃｋｅ　etal　（２０００）

こんな「ほらいずん望遠鏡」を作れば、こいつは見える！こんな「ほらいずん望遠鏡」を作れば、こいつは見える！

第１案；オーストラリア、ニュージーランドに電波望遠鏡を複数置く。いっそ南極に置くか？銀河中心（射手座方向）は天高くのぼる。チリのALMAやハワイのSMAと組んで大きなＶＬＢＩ網が作れる。オーストラリアにはサブミリを観測するに適した高地が乏しい（無い？）。いっそ、南極大陸のほうがいい？しかし維持、補給は大変。地上の場合スペースより長期間安定して観測ができる。第１案；オーストラリア、ニュージーランドに電波望遠鏡を複数置く。いっそ南極に置くか？銀河中心（射手座方向）は天高くのぼる。チリのALMAやハワイのSMAと組んで大きなＶＬＢＩ網が作れる。オーストラリアにはサブミリを観測するに適した高地が乏しい（無い？）。いっそ、南極大陸のほうがいい？しかし維持、補給は大変。地上の場合スペースより長期間安定して観測ができる。

第２案；宇宙に電波望遠鏡を複数、打ち上げる。　大気の吸収を気にせずサブミリ波の受信ができる。地上で必要な大気位相補償の工夫はいらない。１０台あげるとすれば、１、２台を打ち上げに失敗しても計画は成功する（＜暴論！）。複数の衛星を管理、運営する必要。地上、スペース実現可能性はどちらが高いかよく検討する必要がある。第２案；宇宙に電波望遠鏡を複数、打ち上げる。　大気の吸収を気にせずサブミリ波の受信ができる。地上で必要な大気位相補償の工夫はいらない。１０台あげるとすれば、１、２台を打ち上げに失敗しても計画は成功する（＜暴論！）。複数の衛星を管理、運営する必要。地上、スペース実現可能性はどちらが高いかよく検討する必要がある。

ほらいずん望遠鏡 • 観測サイト：　スペースか南半球高地、南極（ＳｇｒＡ＊からのサブミリ波をよく受信するため） • 観測局数：　１０局以上の観測局（画像の解像力、時間分解能をあげるため） • 観測局の広がり：　８千km以上（空間分解能１０μ秒角以下を達成するため） • 観測周波数：　３５０～８００ＧＨｚ（星間プラズマによる像の乱れから逃れるため）

ＶＬＢＩの空間分解能（実績＋α）は？ • 基線長８０００キロ　（普段使われる最長基線・VLBA４３ＧＨｚ） • （ＶＬＢＩで成功している最高）周波数　２３０ＧＨｚ　以上を代入すると、（フリンジ間隔）λ/Ｄ＝３３μａｓ！！さらにALMAでの干渉計技術を導入すれば。。。。

なお感度は十分足りている。 ＳｇｒＡ＊はミリ波からサブミリ波では１Ｊｙ以上ある。これはＶＬＢＩの観測対象となるAGNとしてはかなり明るい。サブミリ受信機性能は？（ALMA概念書から）富士山望遠鏡で　８００ＧＨｚ　６００Ｋ（ＤＳＢ）　　　　　　　　　　　５００ＧＨｚ　３００Ｋ（ＤＳＢ）３５０ＧＨｚ　１００Ｋ（ＤＳＢ） ←　ＶＬＢＩ４０ＧＨｚのＲＸと同じ程度

ALMA建設の干渉計技術でＯＫ、お金だけが問題ALMA建設の干渉計技術でＯＫ、お金だけが問題

ブラックホ－ル（近傍）見えたら 「強い重力場に於ける相対論の検証」でノーベル賞。黒い穴を見つけて、ノーベル賞（嶺重さん）ついで「降着円盤観測天文学」の誕生。

（中心核）ブラックホールまとめ 複数の質量測定、統計的研究が可能となるＭＢＨ仮説の提唱前世紀になされたことその存在の検証中質量ＢＨまで発見今世紀やるべきこと • ＭＢＨ形成シナリオの確立（銀河形成や宇宙史との関わりを明らかにしながら） ←もう、始まってます。私はやりません。 • ＭＢＨの解像。観測ＢＨ天文学をはじめる ←技術的にはもう可能、始めればよい。やります。

ここまで実現してこそのVLBI。 福江純氏ホームページから

２１世紀初頭は「ブラックホール観測天文学」の時代　　　　　　　　ブラックホールと２１世紀初頭は「ブラックホール観測天文学」の時代　　　　　　　　ブラックホールとほらいずん望遠鏡　　　　　　　　　　　　　　　というのが正確な演題でした。以上。　　　　　　　三好　真（ＶＬＢＩ天文学）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　宇電懇２００１年１２月５日

ブラックホール

ブラックホール

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