猫の写真で学んだAIが初のブラックホール画像を描き直し、リングはそのまま残った

ブラックホールの最も有名な画像が、ブラインドテストを通過した。オーストラリア国立科学機関CSIROの少人数チームは、猫や犬、車の写真から画像の見え方を学習する撮像プログラムを開発し、それを史上初のブラックホール画像の元となったEvent Horizon Telescope（イベント・ホライズン・テレスコープ）の生データに適用したところ、同じ輝くリングが得られた。

この結果が重要なのは、そのリングに異論が唱えられていたからだ。別の再解析チームは、近傍銀河の中心にある巨大ブラックホールの周囲に見えるドーナツ状の構造は、データ処理の過程で生じた人為的な産物であり、実際の天体は細長い輝点かもしれないと主張していた。今回、Nature誌に掲載された新たな研究では、調査したすべての高品質データセットにリングが確認され、その大きさは太陽の数十億倍という、独立した質量推定値と一致するブラックホールを示唆している。

「重要なのは、私たちのモデルがM87のデータに適用された時点で、ブラックホールがどのような姿か全く知らなかったことです」と、CSIROの天文学者で主著者のSamuel Lai（サミュエル・ライ）氏は述べる。「これはEHT画像に対する初めての真に独立した検証であり、科学的プロセスにおける重要な一歩です」

ブラックホールの画像をめぐってなぜ論争が起きるのか

M87*は約5500万光年彼方に位置し、その影が空に占める大きさは極めて小さく、Lai氏はその観測の難しさを「自宅の庭に立ちながら、月面にあるドーナツの写真を撮ろうとするようなもの」と例える。単一の望遠鏡では不可能だ。Event Horizon Telescopeはチリ、メキシコ、ハワイ、アリゾナ、スペインなどにある電波天文台を結び、地球全体を一つの望遠鏡として機能させる。

その仮想望遠鏡は、ほとんどが空白の空間である。各ペアの望遠鏡は、画像に必要な情報のうちごく一部の軌跡しかサンプリングできず、さらに各観測局は電子機器や上空の大気の乱れに起因する誤差を加える。ソフトウェアがその隙間を埋める必要があり、そのソフトウェアにおける選択が最終的な画像を左右する可能性がある。

当初の研究チームはこの点を認識しており、互いに情報を知らされない4つの独立した撮像チームを並行して動かした。4チームすべてがリングを発見したが、最も明るい場所などの細部については見解が分かれた。その後、Makoto Miyoshi（三好真）氏率いる日本のグループが公開データを古典的な手法で再処理し、解析でより広い空の領域を許容した場合、リングよりも単一の細長い輝点の方が適合性が高いと報告した。この論争は前提条件に依存しており、独立した検証がまさに取り除くべき前提条件とはそういうものだ。

研究の方法

CSIROチームは、両方の弱点に同時に取り組んだ。第一に、データ。標準的な手法では、一対の望遠鏡からの測定値を組み合わせるが、これには各観測局の較正誤差が信号とともに含まれる。チームは代わりに「クロージャー不変量」、すなわち3台の望遠鏡を同時に用いて構築される量を使用し、これによりそれらの誤差が相殺される。「私たちの手法は、標準的な一対の望遠鏡データではなく、三重のデータを組み合わせることで誤差を除去します」と、プロジェクトリーダーのNithyanandan Thyagarajan（ニティヤナンダン・ティヤガラジャン）氏は説明する。

第二に、ソフトウェア。チームはGenDIReCTと呼ばれる生成AIシステムを構築した。これはテキストから画像を生成するツールと同様の原理だが、文字によるプロンプトではなくクロージャー不変量によって制御される。このAIは、日常的な写真に加え、円盤やリングなどの単純な形状を含む標準的な画像ライブラリから、リアルな画像がどのようなものかを学習した。これらのリングが結果に偏りを与えていないことを確認するため、研究者らは幾何学的形状を含めずに再学習させたが、顕著な差は見られなかった。

プログラムはM87*のデータを見る前に、合成データと他の銀河の実際の観測データを用いたテストに合格する必要があった。クエーサー3C 279の既存画像とは98%、電波銀河ケンタウルスAとは91%の類似度で再現した。その後、チームはモデルを固定し、誰も結果を見た後に調整できないようにした。プログラムは3回の観測シーズン（各シーズンに3つの空の観測枠あり）からの8夜分の公開データを処理し、データセットごとに約300枚の候補画像を生成した。機械学習に依存しないクロスチェックとして、チームは同じ三重データに対してリングの従来型統計モデルも適用した。

リングが示すもの

良好な望遠鏡カバレッジが得られたすべてのデータセットにおいて、空の観測枠の大きさに関わらず、約42マイクロ秒角のコンパクトなリングが検出された。この安定性は、観測枠が大きくなった場合にのみ輝点が見つかったとする先行の再解析に対する直接的な反論となる。CSIROチームは、先行研究の効果は、おそらくカバレッジが疎で品質の低いデータを含む夜の観測に起因すると主張している。機械学習による画像では42.2マイクロ秒角、従来型のフィットでは42.3マイクロ秒角と、誤差範囲内で一致した。論文は、この微細な細部を分解することは、1000キロメートル以上離れた場所から人間の髪の毛の太さを見分けることに相当すると指摘している。

この大きさから、チームは質量を太陽の65億倍（誤差±5億）と推定する。これは、銀河内の星の運動から独立に推定された約66億太陽質量とほぼ正確に一致し、ガスの運動から推定された約35億太陽質量（この場合、リングの大きさは約半分になる）とは大きく異なる。天の川銀河の中心にあるブラックホールSagittarius A*（いて座A*）の質量は太陽の約400万倍であり、M87*はその1000倍以上重い。

画像はまた、ブラックホールをほぼ正面から見ていること、ジェットからの傾きが約20度であることを示唆しており、これはジェット自体から測定された17度に近い。リングの最も明るい部分は観測シーズンごとに変化しており、著者らはこれを手法の問題ではなく、ブラックホールに落下する乱流ガスに起因するとしている。

この研究で決着しないこと

新しい解析は手法において独立しているが、データにおいては独立していない。同じ公開されたEvent Horizon Telescopeの測定値を再利用しているため、生の記録に内在する問題を排除することはできず、リングが当初のチームの処理選択の産物ではないことを示すにとどまる。

いくつかの特徴は依然として不確かである。リングの厚み、中心部の明るさ、非対称性の度合いは、手法や観測夜によって変化し、著者らはこれらはおそらく真の天体の姿を反映していないと述べている。メキシコの主要な望遠鏡が欠落した一夜の観測では、最も曖昧な結果が得られた。

質量の推定値は、見出しの数字ほど確固たるものではない。リングの大きさを質量に変換するには、コンピューターシミュレーションから得られる較正係数に依存する必要があり、その係数の全範囲を考慮すると、推定値は60億から67億太陽質量の間で変動する。画像からブラックホールの回転速度を特定することはできないが、ある程度の回転を示唆してはいる。またチームは、データへの良好な適合は画像が正しいことの必要条件ではあるが十分条件ではなく、M87*の正解画像と照合する方法がないことを警告している。

M87*ブラックホール画像に関するよくある質問

最初のブラックホール画像は本物ですか？

はい、今回の独立した検証によれば本物です。当初の解析とは異なるチームが、異なるデータ結合方法と、ブラックホールを一度も見たことのないAIを用いて、同じ大きさと向きのリングを再現しました。リングの厚みなどの細部は依然として手法間で異なります。

ブラックホールをどうやって撮影するのですか？

ブラックホールそのものではなく、その周囲の高温ガスを撮影します。そのガスからの光はブラックホールの周りで曲げられ、暗い影の周りに明るいリングを形成します。このような小さな影を見るために、Event Horizon Telescopeは地球上の電波望遠鏡を結び、地球全体と同じ大きさの一つの望遠鏡として機能させます。

M87*ブラックホールはどのくらいの大きさですか？

新しい解析では、その質量は太陽の約65億倍と推定され、天の川銀河の中心にあるブラックホールの1000倍以上重いです。そのリングの大きさは空で約42マイクロ秒角であり、どの単一望遠鏡でも分解するには小さすぎます。

今後の展望

データは、2017年4月の4夜、グリーンランド望遠鏡がアレイに加わった2018年4月の2夜、そして2021年4月の2夜をカバーしている。最初のM87*画像は2019年4月10日に公開され、Miyoshi氏のチームからの異論は2022年と2024年に発表された。CSIROの研究者らによると、固定されたモデルが初めてM87*のデータで実行されたのは2025年12月4日であり、論文は2026年11月11日にオンライン公開され、再構成画像とコードも公開された。

著者らは、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡のNIRSpec装置を用いた計画観測により、M87の中心部におけるガスと星の運動がマッピングされ、質量の推定がより確かなものになると期待している。Thyagarajan氏は、三重データの手法は、医療画像から地震の追跡まで、複数のセンサーを一つのマップに統合する分野にも役立つ可能性があると述べる。さらに大きな目標はその先にある。宇宙空間の望遠鏡は、影の内部にある薄い光子リングを分解し、それによってついにM87*の回転速度を測定できるかもしれない。

参考文献：Lai et al., “Independent interferometric observable confirms black hole shadow in M87*,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11241-9

タグ: 人工知能, 天文学, ブラックホール, CSIRO, Event Horizon Telescope, M87