ブラックホールの写真を撮影する

天の川銀河系の中心には超大質量ブラックホールがあり、回転している円盤状の熱いガスを吸い込んでいます。そのブラックホールは近づくものは何でも、光でさえも飲み込んでしまいます。そのため、ブラックホールを見ることはできません。しかし、その「事象の地平面」はガスに影を落とすので、その影の写真を撮ることで宇宙についての重要な謎を解く鍵が得られるでしょう。科学者はその写真を撮るには地球サイズの望遠鏡が必要だと考えてきました。しかし、ケイティ・バウマンと天文学者たちのチームは、賢い解決策を見出しました。どのように究極の闇を見ることができるかをご覧ください。

映画『インターステラー』では

超大質量ブラックホールの姿を
間近に見ることができました

明るいガスを背景として

ブラックホールの巨大な重力によって

光がリング状に曲げられています

しかし これは実際の写真ではなく

コンピュータグラフィックによるもので

ブラックホールの姿についての
イラストレーターによる想像図です

100年前に

アインシュタインが
一般相対性理論を発表しました

それ以来

科学者は この理論を裏付ける
様々な証拠を発見しています

しかし この理論で予言された
ブラックホールは

まだ 直接は観測されていません

ブラックホールの姿についてのアイデアは
いくつかあるのですが

まだ 実際の写真は
１枚も撮られていません

しかし まもなく可能になるとすれば
皆さんは驚かれるでしょう

この数年の間に ブラックホールを撮影した
初めての写真を見ることになるでしょう

最初の１枚の撮影は
世界中の科学者からなるチームと

地球サイズの望遠鏡と

１枚の写真に構成する
アルゴリズムによるものです

今日 皆さんにブラックホールの写真を
実際にお見せできませんが

その最初の１枚を撮るための舞台裏を

ちらりとお見せします

私は ケイティ・バウマンと申します

MITの大学院生で

コンピュータサイエンス研究室で

コンピュータに写真やビデオを認識させる
研究をしています

私が天文学者ではないのに

この刺激的なプロジェクトに

どのように貢献してきたかをお見せします

今夜 都会の明かりから逃れて郊外へ行けば

天の川銀河系の素晴らしい姿を
目にすることができるでしょう

何百万もの星を通り抜けて

２万６千光年先にある渦巻き銀河の中心を
拡大して見られれば

最後には 中心にある星の集団に
たどり着くことでしょう

天文学者たちが 宇宙空間の塵に隠れて
見えにくいこれらの星を

赤外線望遠鏡で観測し始めてから
16年以上経ちます

しかし 一番見たいものを見てはいません

銀河系の中心の星は 見えない物体の周りを
周回するように見えます

この星々の軌道を追跡した結果

天文学者は

この運動を引き起こすような
サイズと質量の天体は

超大質量ブラックホールだけと結論づけました

それは 密度がとても高いため
近づいたものを全て―

光さえも 飲み込みます

もっと拡大して見たらどうなるでしょう？

定義からして見えるはずのない物を
見ることはできるでしょうか？

電波望遠鏡で観測すれば

ブラックホールの周囲の高温プラズマが

重力で曲がることによってできる

光のリングを観測できるはずです

つまり

ブラックホールは
この明るい物質を背景に影を作り

球状の暗闇を作りだすのです

この明るい輪は ブラックホールの
事象の地平面と呼ばれ

ここから先は あまりに重力が強いので

光でさえ逃れられなくなります

アインシュタインの方程式で
この輪の大きさと形が予測されます

ですから その写真を撮ることは
とてもかっこいいだけではなく

アインシュタインの方程式が
ブラックホール周辺の

極限状態でも成り立つかを
確認するのに役立ちます

しかし このブラックホールは
私たちの地球からとても遠いので

この輪は信じられないほど
小さくしか見えません

月の表面にある１個のオレンジを
観測するのと同じ位に小さいのです

ですから この輪の写真を撮るのは
とてつもなく難しいのです

どうしてでしょうか？

その答えは
一つの単純な方程式によって示されます

回折という現象のために

私たちが観測できる対象のサイズには
根本的に限界があります

私たちが観測できる対象のサイズには
根本的に限界があります

その方程式によれば
小さいものを見ようとすればするほど

望遠鏡を大きくしなければならないのです

しかし 地球上の最大の光学望遠鏡でさえ

月の表面の写真を撮るのに

必要な解像度に近づくことさえできません

これは現時点での最高の解像度で撮影された

地球から見た月の写真です

この写真は約１万３千画素ですが

１画素に 150万個以上のオレンジが
収まってしまいます

月面にある１個のオレンジを

さらに あのブラックホールを観測するには

どんな大きさの望遠鏡が必要なのでしょうか？

まじめに計算してみると

地球と同じ大きさの望遠鏡が必要であることが

簡単に分かります

（笑）

もし地球サイズの望遠鏡を建設できれば

ブラックホールの事象の地平面を示す

特別な光の輪を見分け始められるのです

この写真は コンピュータグラフィックほど

詳細ではありませんが

これによって 初めて
ブラックホールの周辺の状況を

確実に 一目見ることができます

しかし ご想像の通り

地球と同じ大きさの一枚の反射鏡で
望遠鏡を造ることは不可能です

でもミック・ジャガーも歌っているように

「欲しいものがいつも手に入るわけではない

でも 何度もトライすれば
必要なものは手にいれられるだろう」

そして 世界中の望遠鏡を繋ごうという

「事象の地平面望遠鏡」という
国際プロジェクトでは

地球サイズの望遠鏡を
コンピュータの力で実現し

ブラックホールの事象の地平面を

捉えられる解像度に達しようとしています

2017年には
この望遠鏡ネットワークを使って

最初のブラックホール写真の撮影を
計画しています

この計画では
世界規模で繋いだ望遠鏡を連動させます

原子時計による精密なタイミングで同期させ

各々の観測点では 研究者のチームが

光を全部捉えて
数千兆バイトのデータを収集します

それから このデータは
ここマサチューセッツの天文台で処理されます

仕組みをもう少し説明します

私たちの銀河系の中心にある
ブラックホールを観測したいなら

有り得ないほど大きい地球サイズの
望遠鏡が必要ですよね

でも一旦 地球サイズの望遠鏡が

造れるとしましょう

地球を巨大な回転するミラーボールだと

考えてみましょう

各々の鏡が光を集め

１つにまとめられて１枚の写真となります

ここで ほとんどの鏡は無くして

ほんの少しだけ残しましょう

まだ これらの情報を
まとめることはできますが

今回は 多くの穴があります

この残った鏡が
望遠鏡のある観測点を示しています

１枚の写真にするには 信じられないほど
少ない観測データです

望遠鏡が設置されている数少ない場所でしか
光を集めることはできませんが

地球が自転するので
別の観測データを得られます

つまり ミラーボールが回転すると
鏡は場所を変えるので

像の別の部分を観測することができます

開発中の画像処理アルゴリズムによって
ミラーボールの欠けている部分を埋めて

そこに隠されているブラックホールの
像を再現します

もし 地表の全面に望遠鏡を設置できたとして

つまり ミラーボールが完璧ならば

この作業は難しくはありません

しかし 手に入れられるのは
わずかな観測データだけなので

望遠鏡によるわずかな観測データと
完全に一致する

像は無限に存在します

しかし 全ての画像が同等ではありません

私たちがブラックホールだと考える姿に
他のものよりも近い画像があります

最初のブラックホールの写真を撮るために
私が担当をしているのは

望遠鏡の観測データに合致する
最も合理的な画像を見つけるための

アルゴリズムを開発することです

似顔絵捜査官がわずかな特徴の情報から

顔の構造についての知識を用いて
1枚の絵を描きあげるのと同じように

私が開発中の画像処理アルゴリズムを使って
限られた観測データを

宇宙にある天体としてふさわしい
１枚の絵にまとめます

このアルゴリズムを使うと
このまばらでノイズだらけのデータを

写真へとまとめあげられるのです

では 天の川銀河系の中心にある
ブラックホールに

望遠鏡を向けたとする
シミュレーションのデータを使った

再構成の例をお見せします

これはシミュレーションに過ぎませんが
このように再構成できることで

まもなく 初のブラックホールの
写真を確実に撮影し

その輪の大きさを決められるという
希望を持てます

このアルゴリズムの詳細を全て
お話ししたいのはやまやまなのですが

皆さんには幸いなことに
十分な時間がありませんが

宇宙の見え方を決定する方法や

アルゴリズムを再構成や結果の確認に
使う方法を ざっと紹介します

さて 望遠鏡の観測データに
完全に合う画像は

無限にあり得るので
何らかの方法で

その中から選び出さなくてはなりません

ブラックホールの像に近い
度合いに応じて

これらの画像をランク付けして

最も適切な１枚を選びだします

もう少し分かりやすくして

フェイスブックに

ある写真が ありそうかどうかを
決めるモデルを考えましょう

このモデルを使った場合

左のノイズだらけの写真が投稿された
可能性はほとんどなく

右の自撮り写真が投稿された可能性が
かなり高いという

結果を期待します

真ん中の写真はぼやけていて

フェイスブック上に 左のノイズの写真よりは

見られそうですが

自撮り写真と比べると可能性は低そうです

ブラックホールの写真となると
これは難問です

なぜなら私たちは
ブラックホールを見たことがないからです

この場合 ブラックホールの
像らしいのはどれで

その構造として仮定すべきなのは
どれでしょうか？

「インターステラー」のブラックホールの
イメージのような

シミュレーションは使えるでしょう

しかし そうすると重大な問題が起きます

もし アインシュタインの理論が
成立しなかったらどうなるのでしょうか？

私たちは 今起こっていることの
正確な写真を再構成したいのです

もし 私たちのアルゴリズムに
アインシュタインの理論を反映させすぎれば

予想した通りのものを
見ることになってしまいます

つまり 銀河の中心には
大きな象がいるという可能性を

残しておきたいのです

（笑）

異なるタイプの画像は
全く別個の特徴を持ちます

ブラックホールのシミュレーションの画像と

地球上で日常的に撮る写真の
違いは明らかです

そこで 特定のタイプの特徴を
強調しすぎていない画像はどのようなものか

アルゴリズムに教えてやらなければなりません

その方法の１つは

各種ある中から
ある画像タイプの特徴を強調して用い

それが再構成に
どのように反映されるかを調べる方法です

もし それぞれの画像タイプ全てから
同じような画像が得られれば

出来上がった画像が
私たちが設定した仮定から

大きな影響を受けていないだろうという
確信を強める方向です

このことは 世界のあちこちから集められた
３人の似顔絵描きに

同じ情報を提供するのに少し似ています

もし ３人ともが 非常に似た顔を描けば

出来上がった絵が

各々の文化の影響を受けていないという
確信を強める方向です

色々な画像タイプが持つ特徴を
反映させるには

既にある画像の部分を使う方法があります

画像を大量に集めて

小さな画像のかけらに分解します

そうすると 一つ一つの画像のかけらを
パズルのピースのように使えます

そのよくあるパズルピースを使って
望遠鏡の観測データに合致する画像を

まとめあげます

異なるタイプの画像からは
違った特徴のピースセットが得られます

同じ観測データに基づいて
異なるピースセットを使い

画像を再構成すると
どのようになるのでしょうか？

ブラックホールのシミュレーションから
取ったピースを使いましょう

まあ 妥当ですね

これは私たちが思うブラックホールの姿と
似ています

でも こうなったのは

ブラックホールのシミュレーションの
ピースを使ったからでしょうか？

では 別のセットを使いましょう

今度は ブラックホールではない
天体からのものです

いいですね
よく似ています

最後に 自分のカメラで撮影したような

日常の写真から作った
パズルピースではどうでしょう？

やりました
同じ写真が出来ました

異なるパズルピースのセット全てから
同じ画像が出来上がれば

最後に得られた画像が
私たちが設定をした仮定から

大きな影響を受けていないと

確信を持てるようになり始めます

もう１つの方法は
ある１つのパズルピースのセットー

例えば日常の写真から得られたセットを使って

色々な種類の画像を再構成する方法です

シミュレーションでは

ブラックホールが それ以外の天体と
似ているという仮定だけではなく

同様に象のような日常の写真と似た形が
銀河系の中心にあることも仮定します

図の下にある
アルゴリズムを使ってできた画像が

図の上の本当の写真とよく似ていれば

このアルゴリズムの確信を強める方向です

皆さんにお伝えしておきたいことは

この全ての画像には

皆さんがご自分のカメラで撮った

日常の写真からのピースが使われたことです

私たちが見たこともない
ブラックホールの写真は

人々や建物 木 犬 それから猫のような
いつも見ているような写真を

まとめあげれば 最終的にできるでしょう

このような画像処理の考え方によって

ブラックホールの最初の写真を撮り

さらには 科学者たちが常に根拠としている

有名な理論を裏付けることができるでしょう

もちろん このような画像処理のアイデアは

光栄なことに私が一緒に働ける
素晴らしい研究者のチームなしには

不可能でした

素晴らしいことに

私はこの仕事を始めた時には
天文学の素養がありませんでしたが

この他に類をみない共同研究を通じて

最初のブラックホールの画像に
至ることができるかもしれません

この「事象の地平面望遠鏡」のような
大規模な共同研究は

様々な人が学際的な専門知識を持ち寄ることで

成功へと繋がります

私たちのチームは 天文学者と物理学者

数学者と技術者のるつぼです

かつては不可能と考えられていたことが

もうすぐ可能になります

皆さんにも 外に出て
科学の限界を広げるのを

手伝っていただきたいのです

たとえそれがブラックホールのように
初めは不可思議に見えても

ありがとうございました

（拍手）