Exploring dynamic pictures of supermassive black holes with movie reconstruction from event-horizion-scale observations

• Project/Area Number: 19KK0081
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 16:Astronomy and related fields
• Research Institution: National Astronomical Observatory of Japan
• Principal Investigator: 本間 希樹 国立天文台, 水沢VLBI観測所, 教授 (20332166)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 笹田 真人 広島大学, 宇宙科学センター, 特任助教 (10725352) ; 池田 思朗 統計数理研究所, 数理・推論研究系, 教授 (30336101)
• Project Period (FY): 2019-10-07 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000); Fiscal Year 2024: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2023: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2022: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2021: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2020: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2019: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: 巨大ブラックホール / 超長基線干渉計 / 動画解析 / 超長基線電波干渉計 / 超長電波基線電波干渉計

Outline of Research at the Start

人類史上初めて巨大ブラックホールの影を静止画で捉えたEHT（Event Horizon Telescope）による観測的研究を発展させ、さらなる観測データの蓄積と画像解析方法の向上により画像に時間軸を導入した動画撮影を目指す。それによって、ブラックホール周辺で起こるガスの運動やジェットの放出現象などさまざまな物理現象の時間変動を捉え、ブラックホールおよびその周辺の動的な姿を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

今年度は、本研究の最重要ターゲット天体の一つであるM87について、Event Horizon Telescope（EHT）によるホライズンスケールの観測および、東アジアVLBI観測網（EAVN）によるジェットの観測の解析を進め、時間変動解析から得られるブラックホールの描像について成果を論文としてまとめた。
前者については、2018年4月に実施されたEHT観測によるM87の画像を得て、2017年の結果と比較した。その結果、リング状の構造の中心にブラックホールシャドウが存在する基本的構造は不変であると確認された一方で、リング上の最も明るい場所については有意な変化が見られた。さらに、理論モデルとの比較から、この変動はブラックホールに落下するガスで期待される電波の強度変動で説明できることが示された。この結果は、EHTの観測を継続してブラックホールを動画化することの重要性を改めて示すとともに、M87の"2コマ目"が得られたことで動画化の第一歩を踏み出すこととなった。
一方、EAVNを中心とするジェットの時間変動については、過去のアーカイブデータも含めて20年分の解析を実施することで、ジェットの吹き出す方向が10年程度の周期で歳差していることが明らかになった。そして、理論モデルとの比較から、ブラックホールの自転軸と降着円盤の回転軸がずれている場合に発生するLens-Thirring歳差で解釈できることを示した。この結果は、ブラックホールの自転の可能性を強く支持するものであり、動画解析がブラックホールの性質の解明に重要な役割を果たすことを実証した。
上記に加えて、将来を見据えた新たな動画解析手法の検討として、最適輸送(optimal transport）を制約とする画像解析手法の開発に取り組み、コード開発を進めた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

今年度はM87の動画解析で、ブラックホール周囲のガスの強度変動に起因する時間変化や、降着円盤の歳差に起因すると考えられるジェットの歳差などが観測的に明らかになり、それらの結果が論文として発表された。これらの結果は、動画解析で時間変動を追いかけることがブラックホールの理解に大きく貢献することを改めて示すインパクトの高い成果であり、このような成果の産出状況から研究の進捗は順調であると判断する。

Strategy for Future Research Activity

今後もEHTやEAVNなどのデータ取得を継続してさらなる成果産出を目指すとともに、これまでの干渉計の基本的枠組み（10時間程度の観測時間内での画像不偏性の仮定）を超えた解析手法の確立を進める。さらに、それを用いた画像解析にも挑戦し、ブラックホール研究に新たな局面をもたらすことを目指す。また、研究の最終年度であることから、本研究終了後の研究展開についても検討を進める。特に今後のブラックホールの詳細観測を進める上で重要となる、ミリ波帯のスペースVLBI衛星の実現可能性についても国際協力のもと検討する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ハーバード大学/マサチューセッツ工科大学/アリゾナ大学(米国)
• [Int'l Joint Research] ペリメーター理論物理研究所(カナダ)
• [Int'l Joint Research] マックスプランク電波天文研究所(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] 韓国天文研究院(韓国)
• [Int'l Joint Research] 台湾中央研究院(その他の国・地域)
• [Int'l Joint Research] ハーバード大学/マサチューセッツ工科大学/アリゾナ大学(米国)
• [Int'l Joint Research] ペリメーター理論物理学研究所(カナダ)
• [Int'l Joint Research] マックスプランク電波天文研究所(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] 韓国天文研究院(韓国)
• [Int'l Joint Research] 台湾中央研究院(その他の国・地域)
• [Int'l Joint Research] マサチューセッツ工科大学/ハーバード大学/アリゾナ大学(米国)
• [Int'l Joint Research] ペリメーター理論物理学研究所(カナダ)
• [Int'l Joint Research] マックスプランク電波天文研究所(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] 韓国天文研究院(韓国)
• [Int'l Joint Research] 台湾中央研究院(その他の国・地域)
• [Int'l Joint Research]
• [Int'l Joint Research] MIT Haystack Observatory/Harvard/Smithsonian CfA/University of Arizona(米国)
• [Int'l Joint Research] The Instituto Astrofosica Andalucia(スペイン)
• [Int'l Joint Research] MIT Haystack Observatory/Harvard/Smithsonian CfA(米国)
• [Int'l Joint Research] The Instituto Astrofosica Andalucia(スペイン)
• [Int'l Joint Research] KASI(韓国)
• [Journal Article] The persistent shadow of the supermassive black hole of M 87. I. Observations, calibration, imaging, and analysis (2024)
  • Author(s): Event Horizon Telescope Collaboration et al., incluing M. Honma, S. Ikeda, M. Sasada
  • Journal Title: Astronomy & Astronphysics Volume: 681 Pages: A79-A79
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202347932
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] First M87 Event Horizon Telescope Results. IX. Detection of Near-horizon Circular Polarization (2023)
  • Author(s): Event Horizon Telescope Collaboration et al., incluing M. Honma, S. Ikeda, M. Sasada
  • Journal Title: Astrophysical Journal Letters Volume: 957 Issue: 2 Pages: L20-L20
  • DOI: 10.3847/2041-8213/acff70
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Precessing jet nozzle connecting to a spinning black hole in M87 (2023)
  • Author(s): Cui Y. et al., incluing M. Honma
  • Journal Title: Nature Volume: 621 Issue: 7980 Pages: 711-715
  • DOI: 10.1038/s41586-023-06479-6
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spectral analysis of a parsec-scale jet in M 87: Observational constraint on the magnetic field strengths in the jet (2023)
  • Author(s): Ro, H. et al., including M. Honma
  • Journal Title: Astronomy & Astrophysics Volume: 673 Pages: A159-A159
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202142988
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A ring-like accretion structure in M87 connecting its black hole and jet (2023)
  • Author(s): Ru L. et al., including M. Honma
  • Journal Title: Nature Volume: 616 Issue: 7958 Pages: 686-690
  • DOI: 10.1038/s41586-023-05843-w
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Super-Resolved Image of M87 Observed with East Asian VLBI Network (2023)
  • Author(s): Tazaki F., et al., including Honma, M.,
  • Journal Title: Galaxies Volume: 11 Issue: 2 Pages: 39-39
  • DOI: 10.3390/galaxies11020039
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole in the Center of the Milky Way (2022)
  • Author(s): Event Horizon Telescope Collaboration
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 930 Issue: 2 Pages: L12-L12
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ac6674
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. II. EHT and Multiwavelength Observations, Data Processing, and Calibration (2022)
  • Author(s): Event Horizon Telescope Collaboration
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 930 Issue: 2 Pages: L13-L13
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ac6675
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. III. Imaging of the Galactic Center Supermassive Black Hole (2022)
  • Author(s): Event Horizon Telescope Collaboration
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 930 Issue: 2 Pages: L14-L14
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ac6429
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. IV. Variability, Morphology, and Black Hole Mass (2022)
  • Author(s): Event Horizon Telescope Collaboration
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 930 Issue: 2 Pages: L15-L15
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ac6736
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. V. Testing Astrophysical Models of the Galactic Center Black Hole (2022)
  • Author(s): Event Horizon Telescope Collaboration
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 930 Issue: 2 Pages: L16-L16
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ac6672
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. VI. Testing the Black Hole Metric (2022)
  • Author(s): Event Horizon Telescope Collaboration
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 930 Issue: 2 Pages: L17-L17
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ac6756
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The Intrinsic Structure of Sagittarius A* at 1.3 cm and 7 mm (2022)
  • Author(s): Cho Ilje、Zhao Guang-Yao、Kawashima Tomohisa、Kino Motoki、Akiyama Kazunori、Johnson Michael D.、Issaoun Sara、Moriyama Kotaro、Cheng Xiaopeng、Algaba Juan-Carlos、Jung Taehyun、Sohn Bong Won、Krichbaum Thomas P.、Wielgus Maciek、Hada Kazuhiro、他51名
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 926 Issue: 2 Pages: 108-108
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac4165
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] East Asian VLBI Network observations of active galactic nuclei jets: imaging with KaVA+Tianma+Nanshan (2021)
  • Author(s): Cui Yu-Zhu、Hada Kazuhiro、他75名
  • Journal Title: Research in Astronomy and Astrophysics Volume: 21 Issue: 8 Pages: 205-205
  • DOI: 10.1088/1674-4527/21/8/205
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Broadband Multi-wavelength Properties of M87 during the 2017 Event Horizon Telescope Campaign (2021)
  • Author(s): EHT Multi-wavelength Science Working Group et al.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 911 Issue: 1 Pages: L11-L11
  • DOI: 10.3847/2041-8213/abef71
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] First M87 Event Horizon Telescope Results. VII. Polarization of the Ring (2021)
  • Author(s): Akiyama Kazunori et al. including Hiroshi Nagai
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 910 Issue: 1 Pages: L12-L12
  • DOI: 10.3847/2041-8213/abe71d
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] First M87 Event Horizon Telescope Results. VIII. Magnetic Field Structure near The Event Horizon (2021)
  • Author(s): Event Horizon Telescope Collaboration
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 910 Issue: 1 Pages: L13-L13
  • DOI: 10.3847/2041-8213/abe4de
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Monitoring the Morphology of M87* in 2009-2017 with the Event Horizon Telescope (2020)
  • Author(s): Wielgus Maciek et al. including Hiroshi Nagai
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 901 Issue: 1 Pages: 67-67
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abac0d
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Black Hole Spin Measurement Based on Time-domain VLBI Observations of Infalling Gas Clouds (2019)
  • Author(s): Moriyama K., Mineshige S., Honma M., Akiyama K.,
  • Journal Title: Astrophysical Journal Volume: 887 Issue: 2 Pages: 227-227
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab505b
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Event Horizon Explorer ミッション(II): EHE-Japan の目指すもの (2024)
  • Author(s): 本間希樹、他
  • Organizer: 日本天文学会春季年会
• [Presentation] 電波干渉計を用いた巨大ブラックホールの撮像 (2022)
  • Author(s): 本間希樹
  • Organizer: 電子情報通信学会 第37回信号処理シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] EHTによる超巨大ブラックホールシャドウの直接撮像：現状と今後 (2020)
  • Author(s): 本間希樹、他
  • Organizer: 日本天文学会秋季年会
• [Book] 宇宙の奇跡を科学する (2021)
  • Author(s): 本間希樹
  • Total Pages: 255
  • Publisher: 扶桑社
  • ISBN: 9784594087357
• [Remarks] Event Horizon Telescope Japan
  • URL: https://www.miz.nao.ac.jp/eht-j/
• [Remarks] Event Horizon Telescope
  • URL: https://eventhorizontelescope.org/
• [Remarks] Event Horzon Telescope Japan
  • URL: https://www.miz.nao.ac.jp/eht-j/
• [Remarks] Event Horizon Telescope Japan
  • URL: https://www.miz.nao.ac.jp/eht-j/top