[論文レビュー] Imaging an Event Horizon: submm-VLBI of a Super Massive Black Hole

Sheperd S. Doeleman, Eric Agol+21 more|ArXiv.org|Jun 21, 2009

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 77

ひとこと要約

本論文は、SgrA*およびM87を対象として、超大質量ブラックホールの事象の地平面を直接像写真化するため、ミリ/サブミリ波長VLBI（submm-VLBI）の利用を提案している。ミリ/サブミリ波長電波望遠鏡を統合してグローバルな「イベントホライズン望遠鏡」を構築することで、ブラックホールの影を解像できる十分な角分解能と感度が現在実現可能であることが示され、一般相対性理論の強引力領域における検証や、事象の地平面付近の降着物理学の探査に向けて画期的な一歩を踏み出す。

ABSTRACT

A long standing goal in astrophysics is to directly observe the immediate environment of a black hole with angular resolution comparable to the event horizon. Realizing this goal would open a new window on the study of General Relativity in the strong field regime, accretion and outflow processes at the edge of a black hole, the existence of an event horizon, and fundamental black hole physics (e.g., spin). Steady long-term progress on improving the capability of Very Long Baseline Interferometry (VLBI) at short wavelengths has now made it extremely likely that this goal will be achieved within the next decade. The most compelling evidence for this is the recent observation by 1.3mm VLBI of Schwarzschild radius scale structure in SgrA*, the compact source of radio, submm, NIR and xrays at the center of the Milky Way. SgrA* is thought to mark the position of a ~4 million solar mass black hole, and because of its proximity and estimated mass presents the largest apparent event horizon size of any black hole candidate in the Universe. Over the next decade, existing and planned mm/submm facilities will be combined into a high sensitivity, high angular resolution "Event Horizon Telescope" that will bring us as close to the edge of black hole as we will come for decades. This white paper describes the science case for mm/submm VLBI observations of both SgrA* and M87 (a radio loud AGN of a much more luminous class that SgrA*). We emphasize that while there is development and procurement involved, the technical path forward is clear, and the recent successful observations have removed much of the risk that would normally be associated with such an ambitious project.

研究の動機と目的

• サブミリ波長VLBIを用いて、超大質量ブラックホールの事象の地平面を直接像写真化すること。
• ブラックホールの地平面付近の強引力領域における一般相対性理論の予測を検証すること。
• ブラックホールの縁における降着および噴出プロセスを研究すること。
• 次世代機器としてのイベントホライズン望遠鏡の技術的・科学的基盤を確立すること。
• ミリ/サブミリ波長観測を用いてシュバルツシルト半径スケールの構造を解像可能であることを実証すること。

提案手法

• 1.3 mmなどのサブミリ波長での非常に長い基線干渉計測（VLBI）を用いて、回折限界の角分解能を達成する。
• 既存および計画中のミリ/サブミリ波長電波望遠鏡を統合し、グローバルなアパーチャ合成アレイを形成してイベントホライズン望遠鏡を構築する。
• サブミリ波長-VLBIの高い感度と角分解能を活用し、ブラックホールの影のような、事象の地平面スケールの特徴を解像する。
• 長基線および高周波数でのコherエンスを維持するため、位相参照法およびフレア検出技術を用いる。
• 可視性データから輝度分布を再構築するため、アパーチャ合成像写真アルゴリズムを適用する。
• SgrA*およびM87を主な科学的ターゲットとして選定する。これは、その視覚的角サイズが大きく、距離が近いためである。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サブミリ波長-VLBIは、超大質量ブラックホールの事象の地平面スケールの構造を解像可能か？
• RQ2 事象の地平面付近の放射領域の形状はどのようなものか？ 一般相対性理論で予測されるブラックホールの影と一致するか？
• RQ3 降着流および噴出流は、ブラックホールの直近の領域で、サブミリ波長においてどのように現れるか？
• RQ4 高解像度の像写真から、ブラックホールのスピンおよび質量を制約可能か？
• RQ5 事象の地平面の観測的特徴は何か？ 他のコンパクト天体モデルと区別可能か？

主な発見

• 最近の1.3 mm VLBI観測では、SgrA*においてすでにシュバルツシルト半径スケールの構造が検出されており、事象の地平面スケールの特徴を解像可能であることが確認された。
• SgrA*は、その距離の近さと約400万太陽質量の推定値のおかげで、ブラックホール候補の中で最大の視覚的事象の地平面サイズを示す。
• イベントホライズン望遠鏡の完全な能力を達成する技術的道筋は、すでに明確で低リスクであり、概念実証観測の成功に裏付けられている。
• 既存および計画中のミリ/サブミリ波長施設の組み合わせにより、高感度・高角分解能のブラックホール環境像写真が可能になる。
• 本プロジェクトは、今世紀中には主な目標である事象の地平面の像写真化を達成する位置に置かれている。
• 科学的成果には、一般相対性理論の直接的検証、降着物理学、ブラックホールスピンの測定が含まれる。