ブラックホールとそれらを撮影する方法

May 08 2022
はじめにこの記事では、ブラックホールとは何か、そして科学者がM87銀河の中心にあるブラックホールの画像をどのように作成したかについて説明します。この画像を作成するのに苦労したことは何ですか?そして、この画像が作成されたら、それのポイントは何ですか?それは何を証明しますか?ブラックホールとは何ですか?ブラックホールとは、重力が非常に大きく、光さえも逃げられない空間の場所です。この理由は、無限に密集しているブラックホール内の特異性によるものです。

序章

この記事では、ブラックホールとは何か、そして科学者がM87銀河の中心にあるブラックホールの画像をどのように作成したかについて説明します。この画像を作成するのに苦労したことは何ですか?そして、この画像が作成されたら、それのポイントは何ですか?それは何を証明しますか?

ブラックホールとは何ですか?

ブラックホールとは、重力が非常に大きく、光さえも逃げられない空間の場所です。この理由は、無限に密集しているブラックホール内の特異性によるものです。先に進む前に、ブラックホールの構成要素を理解する必要があります。これについては、記事全体で説明します。下の図1に、ブラックホールの注釈付きの図を示します。

図1

ソース:https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/bh_labeled.jpg

上の図では、ブラックホールの周りの物質の輪である降着円盤が光を放っています。これは、摂氏数百万度のガスの安定した軌道です。事象の地平線が図から欠落しています。これは、そこから放出された光でさえ逃げることができないように、ただの戻りのないポイントです。事象の地平線の半径は、シュワルツシルト半径として知られています。次に、フォトンリングがあります。これは、光が軌道を回ることができる最も近い場所ですが、これは安定した軌道ではありません。事象の地平線が1しかない場合でも、光は2.6シュワルツシルト半径しか見えません。これは時空のゆがみが原因で、光子リングよりも近くを移動すると、光が事象の地平線に閉じ込められます。時空のゆがみによって引き起こされる黒さは、ブラックホールの影と呼ばれます。

どうすれば写真を撮ることができますか?

ブラックホールを撮影する方法を探る前に、いくつかの障害を乗り越えましょう。

1.ブラックホールから光が逃げられない場合、どうすればそれらの画像を作成できますか?

私たちは実際に実際のブラックホールを撮影しているのではなく、シルエットとその周りの光を撮影しています(図1を参照)。ブラックホールはその環境と非常に相互作用します。ガス雲や星が近づきすぎると吸い込まれ、この塊は光を放つのに十分なほど熱くなります。

2.光が遮られますか?

私たちがブラックホールを観測するためには、大気は選択された波長に対して透明でなければならず、銀河とブラックホールを取り巻くプラズマも同様でなければなりません。

3.どうすれば、これまでのところブラックホールの画像を作成できますか?

M87 *ブラックホールは巨大で、正確には650億の太陽質量ですが、地球から5,349万光年離れています。これは、影の幅が約40マイクロアーク秒であることを意味します。1秒は空の1/3600度であり、1秒には100万マイクロアーク秒があります。画像を生成できるようにするには、地球と同じ大きさの衛星放送受信アンテナが必要になります。

ブラックホールを適切に捉えるためには、ブラックホールの周りのプラズマを透過できるほど小さい波長が必要ですが、大気を透過するのに十分な大きさである必要があります。世界中の200人の個々の科学者からなる事象の地平線チームは、1.3mmが理想的な波長であることを発見しました。

次に、衛星放送受信アンテナをこれほど大きくする方法や、その大きさの衛星放送を模倣する方法を検討します。まさにそれを行う干渉法と呼ばれる技術があります。これは、世界中のさまざまな望遠鏡を組み合わせて、全体を構成するように互いに話し合うことによって、それらを集合的に動作させることによって、地球サイズの望遠鏡を持っているふりをします。各望遠鏡は異なる時間に電波を受信するので、入ってくる波は水素メーザー時計で時間タグが付けられます。次に、データは各望遠鏡から収集され、プロセッサに送信されます。ここで波が一致し、これはあなたが地球サイズの皿を持っていた場合と同様の結果を生み出します。これらの組み合わされた電波は、画像を生成することができます。干渉法は、巨大な皿が集めるのと同じ量の光を集めません、しかし、解像度はそのサイズの望遠鏡に対応する予定です。事象の地平線望遠鏡アレイは、下の図2に示されています。

図2

ソース:https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/bh_labeled.jpg

地球の自転は、望遠鏡が宇宙の単一の点である場合と比較して、より多くのデータを収集するのに役立ちます。

ブラックホールを観測するのに最適な時期を見つけるのも面倒です。世界中のすべての場所は、天気が良く、技術的な問題がなく、同時に十分な人員がいる必要があります。地球だけでなく、ブラックホール周辺の条件も適切な時期を選ぶことが重要です。

なぜ写真を撮るのですか?

科学者はブラックホールを楽しむためだけに写真を撮るのに多額のお金を費やすことはありません。それで、この写真にはどのような価値があり、なぜそれを撮る必要があったのでしょうか。アインシュタインの一般相対性理論の基本を簡単に理解しましょう。

一般相対性理論は特殊相対性理論の拡張ですが、特に重力に注目しています。これは、重力が時空内でどのように機能するかについてのアインシュタインの考えです。要するに、重力はボウリングボウルがトランポリンを歪めるのと同じように時空を歪めます。この概念を下の図に示します。これに加えて、光は時空内を直線的に進むため、光が歪んで見えることもあります。

図3

ソース:https://www.discovermagazine.com/the-sciences/20-things-you-didnt-know-about-relativity

ブラックホールの画像を撮る理由の1つは、一般相対性理論がどこかで、特に重力のクライマックスで失敗するかどうかをテストすることです。一般相対性理論は量子力学と互換性がないため、ある時点で失敗すると予想されます。しかし、それはブラックホールの周りで失敗するでしょうか?もう1つの理由は、量子力学が予測するものと一般相対性理論が予測するものが異なるため、矛盾を見つけることです。そして最後に、私たちの宇宙がどのように機能するかについての現在の理論がそのような極端な重力環境で機能するかどうかをテストすること。ブラックホールは宇宙の一部なので、私たちの理論はそこにも当てはまるはずです。

2019年4月10日、M87*ブラックホールの画像が公開されました。これは下の図4で見ることができます。

図4

ソース:https://www.bbc.co.uk/news/science-environment-47873592

では、この画像はアインシュタインの理論をサポートしていますか?まず、すべての機能が認識できます。ドップラーのビームにより、降着円盤、影、片側がさらに明るくなっています。しかし、もっと正確に言えば、ブラックホールの距離とそのサイズを正確に知ることで、科学者は画像内の影の直径をほぼ完全に計算できます(許容誤差は4%)。そして一般相対性理論が正しければ、期待値は画像の分析から得られた値と相関するはずです。値は同じであり、ブラックホールの一般相対性理論の予測がサポートされています。

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