ブラックホールを間近で見る：インタラクティブモデル

ブラックホールの近くを通る光は、その重力で曲げられます。このモデルは、画面のすべての点について、あなたの目から光線をさかのぼって追い、ブラックホールのそばを通り抜けて、光線がどこから来たのかを探します。ブラックホールの周りを回る高温ガスの薄い円盤か、はるか後ろにある星か、あるいはどこでもない — 光線が落ち込んだ場合 — かです。

見え方

• シャドウ（影） — 暗い中心部で、光線がブラックホールの内側で終わる領域です。幅は事象の地平面（何ものも外に出られない境界）の2.6倍あります。
• 円盤の向こう側、上と下 — ブラックホールの裏側にある円盤の部分の光は、ブラックホールの周りで曲げられます。上側には向こう側の上面が、下側にはその裏面が見えます。
• フォトンリング — シャドウの縁にある細く明るい輪：ブラックホールの周りを1周以上してからあなたに届いた光です。
• 片側が明るい — 内側の縁の近くでは、ガスは光速の半分の速さで動いています。近づいてくる側では光が明るく青っぽく、遠ざかる側では暗く赤っぽくなります（ドップラー効果）。
• 暗く赤みがかった中心 — ブラックホールの重力から抜け出す光はエネルギーを失います（重力赤方偏移）。
• 内側の縁 — ガスは、地平面の半径の3倍より内側を周回することはできません。それより内側では、1周しないうちに落ち込み、ほとんど光を出しません。

計算のしかた

どの光線も、自転しないブラックホールの周りを通る光の正確な経路をたどります。アインシュタインの一般相対性理論（シュワルツシルト解）によるものです。円盤は、ノビコフとソーンが示した薄い円盤です。中心からの各距離での温度は彼らの式で決まり、地平面半径の約4.8倍の位置がいちばん高温です。各点の色は、その温度のガスの輝きを、ドップラー効果と重力による変化でずらしたものです。ガスの各リングは、それぞれの軌道速度で回っています。時計は遠く離れた観測者の時間を示し、円盤の部分ごとに光があなたに届くまでの時間は異なります。

ブラックホールは、質量が違っても同じ見た目になります。重いものは、ただ大きくてゆっくりなだけです。いて座A*とM87*が同じ絵になるのはそのためです — それぞれのカードで大きさと時間を比べてみてください。

簡略化している点

• このブラックホールは自転しません。いて座A*とM87*の自転の速さはよくわかっていません。自転するブラックホールなら、シャドウは少しつぶれた形になり、円盤はより内側まで届きます。
• 温度は私たちが決めた値です。いちばん高温の場所で約5,000Kで、太陽表面より少し低く、円盤が可視光で光るようにしています。いちばん熱いところは白や黄色、冷たいところはオレンジや赤です。
• 実際のいて座A*とM87*には、このような明るい円盤はありません。周囲のガスをほとんど取り込んでおらず、イベント・ホライズン・テレスコープが撮影したのは、そのまわりの薄く高温のガスが出す電波です。その画像の明るい輪も、同じ光の曲がりから生まれます。このような円盤は、クエーサーのように勢いよく物質を取り込むブラックホールの周りで光っていて、さらに高温です。
• 円盤の筋は、ガスの動きが見えるように作ったものです。ガスの各リングは本当の速さで回っています。円盤は地平面半径の14倍まで表示しています。それより外側にも、より冷たく暗くなりながら続いているはずです。
• 背景の星も作り物ですが、その光は同じように曲げられます。

出典

• いて座A*：質量は太陽の430万倍、距離は8,277パーセク（27,000光年） — GRAVITYコラボレーション、「Mass distribution in the Galactic Center based on interferometric astrometry of multiple stellar orbits」、A&A 657, L12 (2022)。リングは51.8 ± 2.3マイクロ秒角 — イベント・ホライズン・テレスコープ・コラボレーション、ApJL 930, L12 (2022)。
• M87*：質量は太陽の65 ± 7億倍、距離は16.8メガパーセク（5,500万光年）、リングは42 ± 3マイクロ秒角 — イベント・ホライズン・テレスコープ・コラボレーション、「First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole」、ApJL 875, L1 (2019)。
• 円盤：I. D. Novikov & K. S. Thorne、Black Holes（レ・ズーシュ、1973）所収；D. N. Page & K. S. Thorne、「Disk-Accretion onto a Black Hole. I. Time-Averaged Structure of Accretion Disk」、ApJ 191, 499 (1974)。
• 光るガスの色：CIE 1931等色関数、C. Wyman, P.-P. Sloan & P. Shirleyによる近似、JCGT 2(2), 1 (2013)。