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 2022)
• 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 / 超長基線電波干渉計 / 動画解析 / 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

2022年度は本研究の最重要研究対象の一つである、天の川銀河の巨大ブラックホール・いて座A*について、EHTの観測の最初の成果をまとめて出版した。主たる結果は静止画像であり、光子リングとブラックホールシャドーを検出して、当該天体がブラックホールであることの視覚的な証拠をとらえることに成功した。この結果は2022年5月に国際共同記者発表によって世界に配信され、多くのメディアで取り上げられるなど、広く一般にも浸透した。
この解析にあたっては、動画化の可能性についても検討し、その解析状況についても一部論文に記載している。ただし、現在のデータでは情報不足のために動画解を一意に定めることが難しいと判明しており、確実な動画解の提供には至っていない。そのため、動画化に変わる新たなアプローチとして、時間変動する成分を平均画像に対する雑音的変動として扱うNoise Modelingという手法を導入し、動的な成分の静止画への影響を評価して、それを静止画撮影にフィードバックしている。この中で、時間変動成分を含む種々の情報をシミュレーション結果と比較した結果、比較的降着率が大きくジェットが出やすいモデルを示唆することがわかった。実際のいて座A*ではジェットが見えていないため、この原因の解明が次の興味深い対象であり、動画化を目指す中で新たな科学的知見が得られた。
一方、M87については、EHTの2018年度のデータ解析を進めた。すでに画像を得て2017年の結果との比較を進めており、現在論文としてまとめつつある。また、M87については、東アジアVLBI（EAVN）などの長期モニター観測から、ジェットの時間変動研究も進めている。それによって、ジェット軸の準周期的（10年程度）な時間変動を検出することに成功し、シミュレーションとの比較に基づいてその解釈を進めた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

成果集約面では、いて座A*の画像が発表されて大きなニュースになっており、また、動画化そのものは実現していないものの、動的成分に関する評価が新たな科学知見を生み出すなど、手法面および科学面で十分高いレベルでの進捗があった。さらに、M87についてはEHTによる2017年と2018年の画像比較やEAVNによるジェットの長期モニター観測により、時間変動の解析が実現しており、次年度以降の成果のとりまとめが予定されている。また、2022年度もEHTのキャンペーン観測やEAVNのフォローアップ観測が順調に実施されており、今後の詳しい解析に向けたデータの蓄積も進んでいる。これらの状況から進捗状況はおおむね順調であると判断する。

Strategy for Future Research Activity

いて座A*の動画可に向けたシミュレーションを継続し、現在の観測局配置での限界と今後必要となる追加局の数や場所などについても検討を進めるとともに、EHTやEAVNなどの実データに基づく動画解析を進める。また、今後のEHT観測の鍵となるALMAの観測参加機会を増やすことを目指して、ALMAのTotal Power Array活用の可能性有無についても関係者と検討を開始する予定である。さらに、M87のジェットの動画撮影とそれに基づくブラックホール研究についても推進し、特にジェット軸の準周期的歳差運動の解釈について結果をとりまとめる予定である。

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] 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] 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