CPSセミナー＠神戸大2022/7/29

ブラックホールの「リング」像は本物か？
--- EHTCデータ（M87）の独立解析の結果 ---国立天文台 三好 真（理化学研究所）・気象庁 加藤成晃
神戸大学 牧野淳一郎

1望遠鏡の“くせ“, PSF
星像に光条がある。望遠鏡の“くせ“であって、天体構造ではない。

図：JWSTの場合

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Credit: NASA/STScI概要
EHTの公開データを独立再解析を行い、EHTCの示すリング像とは異なる撮像結果を得た。
＊なぜ違う撮像結果になったのか？
EHTCは非常に狭い視野設定(128μ秒角以下）を行い、像の範囲を最初から限定している。実は、データにサンプリングバイアス（＝40μ秒角くらいの大きさの構造を創りやすい）がある。EHTCの狭視野設定はそのバイアス効果を強め、40μ秒角サイズのリング像に到達した。
一方、我々は、広い視野設定（25ミリ秒角）をして、通常の撮像解析を行い、バイアス効果を受けにくい撮像解析をした。
（EHTCは広い視野は得られないと主張しているが、電波干渉計の理論計算からはEHTCの主張より広い範囲の撮像ができる。）＊どっちが正しいのか？
我々のほうが「より正しい」=EHTC のリング像はおそらく間違い(a)我々の結果は有名なジェットを検出するなど、従来の観測結果と矛盾しない。
(b)我々の結果はデータと撮像結果の整合性において、EHTCのリング像よりも、はるかに良い一致度を示す。
(c) EHTC のリングはEHTの観測局配置から“でがちな”構造である。
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発表の構成1. EHTC の解析法と撮像結果

2. 我々の解析手順と撮像結果
3. 何故 EHTC はリングを得たのか
3-1 u-v カバレージと PSF/Dirty Beam
3-2 我々の手順でのリングの「再現」
3-3 模擬データからもリングは「再現」できる
4. どちらの絵が「より良い」か
4-1 像の示す残差の大きさ
4-1 像の堅牢性
4-2 他周波数観測の結果との関係

5. 天の川銀河中心SｇｒA*のリング像はどうか？
6. まとめ4

1. EHTC の解析法と撮像結果
複数の方法 - CLEAN法（DIFMAP),
RML（regularized maximum likelihood)法,複数のチームで解析を行った。いずれも128μas以下の狭いFOV設定をして、予測サイズのブラックホールシャドーと大きさが一致するリング像を得た。

が、
1）有名なジェット構造がみえない。
2）最大輝度が60億K、従来の1/3と暗い。
3）像をよく見ると変な形が見える。
そして、リング像の示す電波強度は観測データのそれの半分程度（～500ｍJy) の再。観測データに対する残差が大きい。
5

図はEHT Collaboration et al.,The Astrophysical Journal Letters, 875, L1, 2019 より

M87は「宇宙ジェット」で有名な銀河

2020/11/22

久万

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EHTCのブラックホール像, 3つの不可解な点を発端に公開データを調査を始めた。

(1) 有名な M87 のジェットが全く、見えてない。
(2) 輝度温度(推定60億K), 先行観測の約1/3 に低下。対230GHz観測のAkiyamaら2015, 86GHz観測のHadaら2016と、 Kimら2018)
図：EHTC トーンを調整(3) 40μas 間隔の尻尾
もしか、サイドローブ(回折像部分）を実像と勘違いしてない？
もしも較正不足の場合、撮像結果は暗くなり、特にコアより暗いジェット部分は検出できなくなる。
そういうことが起きているのでは？
2021/9/13

2. 我々の解析手順と撮像結果
通常のCLEAN法(AIPS）を用い、ジェット領域を視野設定に含めた。
中心部にリングではなく、コア、ノット構造を見いだした。輝度は従来測定値と矛盾しない。
さらに、有名なジェット構造を検出した。
最大輝度は従来の観測結果と一致。
結果の像の示す電波強度は観測データの70％以上を再現した。

下の図の等高線は43GHzの観測での平均像を示す （Walkerら2018)8

本物ではない9

3. 何故 EHTC はリングを得たのか
3-1 u-v カバレージと PSF/Dirty Beam
取得データには約40μ秒角を示す空間フーリエ成分が欠如している。
そのため、約40μ秒角サイズの構造を誤って像に取り込みやすい。
メインビーム強度に対して70％のマイナス部分発生

取得データ分布

空間フーリエ成分（μas 単位）→

PSF

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黒がプラス。破線領域はマイナス。

EHTのM87観測データ(u-vカバー）は少なすぎる。
EHT (2019)
この観測では5局10基線（超短基線除く）

ALMA (図はcy03)

64局2016基線
PSFの描写は対ピーク10%間隔の等高線（-100％～＋100％）
ALMAではマイナス部分はほぼ無いが、EHTでは深いマイ
2021/3/16
ナス部分(点線部分）有り↑u-v カバー↑PSF(Dirty Beam)3. 何故 EHTC はリングを得たのか
3-2 我々が（間違った）手順で行ったリングの「再現」
取得データを単純に像変換すると取得データの”くせ”と実像が合わさった形になる(dirty map；左図)。これを初期像モデルとして利用すると、「くせ」を取り込んで、40μ秒角サイズのリング（右図）ができる。
（EHTC の解析手法は結果的に同様なことを行ってしまっているように思われる。）

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3. 何故 EHTC はリングを得たのか
3-3 模擬データからもリングは「再現」できる
EHTによる観測データと同じサンプルの模擬データからも、EHTCの撮像結果と同じ40μ秒角サイズのリングができる。
（EHTC のリングはEHTの観測局配置から”でがち”な構造である）

ノイズデータ

一点源データ（ノイズなし）13

4. どちらの絵が「より良い」か
4-1 残差（元のデータと撮像結果の間の違い）
データ振幅について、撮像結果のそれと元データのそれの差を比べたもの。グラフの底辺に近い方が平均値、標準偏差とも小さく、残差が小さいことになる。
色つきの線がEHTCのリング像の場合。黒線が我々の得た像の場合。
平均値、標準偏差ともに、我々の像の「残差」が一番小さく、像結果とデータの間の整合性が一番よいことがわかる。
(注) リング像はEHTCのDIFMAPパイ 14プラインで作り、それらから残差を計算

4. どちらの絵が「より良い」か
4-2 堅牢性（視野設定を変えて、像の変化を調べる）
EHTCリングは視野設定を除外するとリングは壊れる（DIFMAP)

円内が視野設定範囲

視野設定1ミリ秒角

我々の中心像、コア（C）ノット（K）の構造は生き残る(AIPS)

8つの大円で視野設定

視野設定25ミリ秒角

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4. どちらの絵が「より良い」か
4-3 これまでの観測（他周波数）との関係

大規模構造

M87の従来の観測結果

EHTCの撮像結果

我々の再解析
結果

西に伸びるジェット構造

検出せず（論文にジェット探索の記述がない）

43/86GHzで観測された規模のジェットを確認

100μ秒角程度で 40μ秒角直径の コア、ノット構造の分解能であり、 リング像
（従来推定されていたジェット噴出角
詳しい観測はできと同じく70度の開ていない。
口角）
従来より暗い従来とほぼ同じ
中心核（コア） 100～300億度
60億度
100~120億度の最大輝度 （86GHz観測）（230GHz観測）（230GHz観測）
約130億度
中心部分の構造（230GHz観測）
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我々が得た全体像
43GHｚの像（左上；Walkerら2018）と矛盾しないジェットを検出

本物
ではな
い17

5. 天の川銀河系中心SgrA*のリング像（EHTC,5/12発表）も。
（1）PSFのメインビームとサイドローブ間隔が、「シャドーサイズ」と完全に一致する。
（2）PSFの中央ピーク3つがリング像の「3輝点」に対応している。

（3）通常の解析では楕円になる。
M87の場合と同じく、PSFの形状と共通するサイズ、特徴のリングである。天体像ではなく、望遠鏡のPSFの形状起源のリング像。

Bright thick ring with a diameter of 51.8±2.3μas（68% credible interval)
Angular shadow diameter 48.7±7.0μas EHTC2022-1（L12) 18

5. 天の川銀河系中心SgrA*のリング像（EHTC,5/12発表）も。
EHTのような数局のアンテナ構成の電波干渉計では、そのPSFは非常に汚くなる。
マイナス部分（図、青色部分）が現われる。

Main beamの高さに対し、 80%強の深さのマイナス部分が現われる。
凹凸周期が～50μas

図：EHTの銀河中心 SgrA* 観測のおける PSF（Dirty Beam)2017/4/7 観測の場合。公開データからAIPSを用いて作成

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5. 天の川銀河系中心SgrA*のリング像（EHTC,5/12発表）も。
EHTのような数局のアンテナ構成の電波干渉計では、そのPSFは非常に汚くなる。
マイナス部分（図、青色部分）が現われる。

Main beamの高さに対し、 80%強の深さのマイナス部分が現われる。
凹凸周期が～50μas

図：EHTの銀河中心 SgrA* 観測のおける PSF（Dirty Beam)2017/4/7 観測の場合。公開データからAIPSを用いて作成

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5. 天の川銀河系中心SgrA*のリング像（EHTC,5/12発表）も。
EHTのような数局のア直径50μasの円周ンテナ構成の電波干渉計では、そのPSFは上にピーク群が非常に汚くなる。
乗ってしまう。
マイナス部分（図青色部分）が現われる。

Main beamの高さに対し、 80%強の深さのマイナス部分が現われる。
凹凸周期が～50μas

図：EHTの銀河中心 SgrA* 観測のおける PSF（Dirty Beam)2017/4/7 観測の場合。公開データからAIPSを用いて作成

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直径50μasの円周5. 天の川銀河系中心SgrA*のリング像（EHTC,5/12発表）も。

上にピーク群がEHTのような数局のアンテナ構成の電波干乗ってしまう。
D=49.092μas

渉計では、そのPSFは非常に汚くなる。

メインビームと第一サイドローブのマイナス部分（図青色部分）が現われる。
間隔がEHTC測定のシャドーサイズ
Main beamの高さに対と完全一致する。
し、 80%強の深さのマイナス部分が現われる。
（=49μas）
凹凸周期が～50μas

Brightthick ring withSgrA*a diameterof 51.8±2.3μas（68%credible interval)
図：EHTの銀河中心観測のおけるPSF（Dirty Beam)2017/4/7shadow
観測の場合。公開データからAIPSを用いて作成
Angulardiameter 48.7±7.0μas EHTC2022-1（L12) 22

直径50μasの円周5. 天の川銀河系中心SgrA*のリング像（EHTC,5/12発表）も。

上にピーク群がEHTのような数局のアンテナ構成の電波干乗ってしまう。
渉計では、そのPSFは非常に汚くなる。

メインビームと第一サイドローブのマイナス部分（図青色部分）が現われる。
間隔がEHTC測定のシャドーサイズ
Main beamの高さに対と完全一致する。
し、 80%強の深さのマイナス部分が現われる。
（=49μas）
凹凸周期が～50μas

最後にEHTCのリング像を乗せた。

Brightthick ring withSgrA*a diameterof 51.8±2.3μas（68%credible interval)
図：EHTの銀河中心観測のおけるPSF（Dirty Beam)2017/4/7shadow
観測の場合。公開データからAIPSを用いて作成
Angulardiameter 48.7±7.0μas EHTC2022-1（L12) 23

6. まとめ
EHTの公開データを独立再解析を行い、EHTCの示すリング像とは異なる撮像結果を得た。
＊なぜ違う撮像結果になったのか？
EHTCは非常に狭い視野設定(１２８μ秒角以下）を行い、像の範囲を最初から限定している。実は、データにサンプリングバイアス（＝４０μ秒角くらいの大きさの構造を創りやすい）がある。EHTCの狭視野設定はそのバイアス効果を強め、４０μ秒角サイズのリング像に到達した。
一方、我々は、広い視野設定（２５ミリ秒角）をして、通常の撮像解析を行い、バイアス効果を受けにくい撮像解析をした。
（EHTCは広い視野は得られないと主張しているが、電波干渉計の理論計算からはEHTCの主張より広い範囲の撮像ができる。なお、「広い視野はノイズが増す」わけでもない。）＊どっちが正しいのか？
我々のほうが「より正しい」=EHTC のリング像はおそらく間違い(a)我々の結果は有名なジェットを検出するなど、従来の観測結果と矛盾しない。
(b)我々の結果はデータと撮像結果の整合性において、EHTCのリング像よりも、はるかに良い一致度を示す。
(c) EHTC のリングはEHT の観測局配置から“でがちな”構造である。
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「独立にリング像を得ている」とEHTCが示した4論文の内容論文名

内容

Arras et al. (2022)

ベイジアンモデルによる。初期モデルが「丸いガウシアン円板」。
EHT-Imaging と似た方法なので同じような結果になる。

Carilli & Thyagarajan Hybrid mappingによる。初期モデルが円板かリングでないとリ(2022)ングにならない。ガウス型の方がリング像よりクロージャ位相残差が小さくなっている。（初期モデルで答が変わる、というのは我々の解析と同じ。コア・ノット構造が現われる点でも同じ。
Lockhart & Gralla(2022)

はじめからリングを仮定し、そのリングの幅などを推定するもの。
独立にリングだということを示したわけではない。

Patel et al.
(2022)

査読・投稿論文ではない。「EHTCの撮像パイプラインをつかうと同じ結果がでる」、という検証。

Makoto Miyoshi, Yoshiaki Kato, Jun Makino, Comments on "Imaging Reanalyses of EHT Data“ https://arxiv.org/abs/2207.13279
及び https://twitter.com/jun_makino/status/1543262094753415169 の連続tweet 参考のこと.
26

参考6．EHTで確保できる視野

27

28

43GHｚでの平均画像と、輝度分布領域は一致

本物ではな
い2021/9/13

コア部分が桁違いに明るい

コア中心

Walker2018と比べる。
2021/9/13
2日の積分で得られる画像感度は？だが、0.1 ｍJy

４３ＧＨｚの場合（ただしridge line)

中心
強度230GHz

100

5.60

0.66

43GHz

100

28.00

8.50

0.20

0.08(比）コア中心
2021/9/13

0.25 mas 0.5 mas 1.0 mas（％）（％2.50）0.04
0.10

Ｆｉｇｕｒｅ ６ ｉｎ Ｗａｌｋｅｒ ｅｔ ａｌ参考7．中心部分の構造はなにであるか？

ジェットの初期生成段階の様子を示していると思われる。

32

中心部
C (Core),K (Knot),W (West)の3成分

5Rs

33

43GHz平均画（Walker2018)
Walker2018では「初期のopening angle ～70°」と言っている∠KCW～70°“opening angle ～70度 （43GHz, Walker 2108)”と角度が一致。
向きもだいたい一致。
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