중력 렌즈 효과

중력 렌즈 효과

 

[ gravitational lens , 重力─ ]

매우 멀리 떨어진 천체에서 나온 빛이 지구까지 도달 하기 전 은하 및 은하단과 같은 거대한 천체들의 중력장의 영향을 받아 굴절되어 보이는 현상을 말한다. 가장 유명한 중력 렌즈는 페가수스자리에서 관측된 ‘아인슈타인 십자가’ 혹은 ‘후크라의 렌즈’이다.

​

은하와 은하단의 중력이 돋보기처럼 빛을 모으기 때문에 중력 렌즈라고 한다. 돋보기는 빛을 한 점에 모을 수 있지만, 중력장에 의한 빛의 굴절은 초점이 없으므로 한 곳에 모이지 않고 여러 개의 상을 만든다. 빛을 내는 천체와 빛을 굴절시키는 천체 및 관측자가 일직선을 이룰 때 생기는 고리 모양의 상을 특별히 '아인슈타인 링'이라고 부른다.

 

중력 렌즈는 렌즈 현상을 일으키는 천체의 질량과 크기에 따라 두 가지로 구분한다. 천체의 질량이 태양의 1백만 배 이상일 경우를 일반적으로 중력 렌즈라고 하고, 1백만 배보다 작고 1만 분의 1보다 큰 천체를 마이크로 중력 렌즈(미세 중력 렌즈)라고 한다. 최초로 발견된 중력 렌즈는 1979년 영국의 월시, 카스웰, 와이만이 전파 관측을 통하여 확인한 6억 5천만 광년 떨어져 있는 준성 Q0957+561이 그 앞쪽에 위치한 밝은 은하에 의해 두 개의 상으로 보이게 된 것이다.

​

가장 유명한 중력 렌즈는 페가수스자리에서 관측된 ‘아인슈타인 십자가’ 혹은 ‘후크라의 렌즈’이다. 약 80억 광년 떨어져 있는 준성 Q2237+0305의 빛이 2억 광년 떨어진 페가수스 은하단에 속한 나선 은하의 핵 부분에 의해 휘어져서 형성된 이 중력 렌즈는 은하핵 주변에 4개의 상을 만들고, 마이크로 중력 렌즈도 포함하고 있다.

[네이버 지식백과] 중력 렌즈 [gravitational lens, 重力─] (두산백과)

​

우주의 신기루

투명한 유리나 플라스틱으로 만든 렌즈를 통해서 물체를 보면 물체의 모양은 축소 또는 확대되거나 변형되어 보인다. 이것은 빛이 공기 중을 진행할 때와 유리나 플라스틱 속을 진행할 때 속도가 달라져서 경계면에서 빛이 굴절되기 때문에 생기는 현상이다. 우주에서도 이와 비슷한 현상이 일어난다. 1915년에 아인슈타인은 일반상대성이론을 통해 빛은 천체의 중력장에 의해 그 경로가 휘어질 것을 예측하였고, 천문학자 에딩턴은 개기 일식 때 태양을 관측하여 태양 뒤쪽에서 오는 빛이 태양 가까이를 지날 때 중력에 의해 휘어지는 현상을 관측하였다. 천체의 중력이 클수록 이 현상은 더욱 크게 난다. 만약 천체가 하나의 별이 아니라 수십-수천억 개의 별이 모인 은하이거나 수천 개의 은하들이 모인 은하단이라면 중력은 막강하여 천체의 빛을 더욱 강하게 휘도록 하는 렌즈의 역할을 기대할 수 있는데 이것을 중력렌즈라 부른다. 수십억 광년 너머에 있는 먼 천체에서 방출된 빛이 지구로 오는 경로 상에 중력렌즈의 역할을 하는 천체가 있다면 지구상의 관측자에게 멀리 있는 천체는 변형되어 보이거나 여러 개로 보이는 현상이 나타나게 되는데 이것을 중력렌즈현상이라 한다. 중력렌즈 현상은 1979년에 처음으로 Q0957+561 퀘이사에서 발견된 이후 100 개가 넘게 발견되었다. 이것은 우주의 천체들이 강한 중력으로 빛을 휘게 함으로써 나타나는 우주의 신기루 현상이며 일반상대성이론이 옳다는 증거이기도 하다.

이전 이미지

 

블랙홀을 가진 퀘이사

퀘이사는 천문관측사상 천문학자들을 가장 혼란에 빠뜨렸던 수수께끼의 천체이다. 퀘이사의 놀라운 점은 크기가 매우 작으면서도 엄청난 에너지를 복사한다는 것이다. 오늘날 천문학자들은 퀘이사를 블랙홀을 가진 초기의 은하핵으로 이해하고 있는데 퀘이사들이 수십억 광년 너머에 있다는 사실도 이를 뒷받침한다. 우주에서는 멀리 있다는 것은 오래 되었다는 뜻이니까. 퀘이사(quasar=quasi-stellar radio source, 준성전파원)는 잘못 붙여진 이름이며, 정확한 명칭은 QSO(Quasi-stellar object, 준성체)이다. 그림은 주위물질을 끌어들이며 성장하고 있는 퀘이사의 상상도이다. [사진_NASA, JPL-Caltech]

원본보기 1 / 10

 

최초로 발견된 중력렌즈 상 (Q0957+561)

퀘이사가 멀리 있다는 사실은 퀘이사에서 중력렌즈 현상이 자주 관측된다는 사실을 통해서도 입증된다. 큰곰자리에서 보이는 Q0957+056는 두 퀘이사는 서로 다른 퀘이사처럼 보인다. 그런데 1979년에 일단의 천문학자들은 두 퀘이사의 적색편이가 완전히 일치하는 것을 발견하고 분광분석을 한 결과 놀랍게도 두 퀘이사의 스펙트럼이 완전히 일치하는 것을 발견하였다. 이후의 다른 관측들도 모두 같은 결과가 얻어져서 이것은 천체의 중력렌즈에 의해 만들어진 한 퀘이사의 두 가지 상이라는 것을 알게 되었다. [출처: http://www.astr.ua.edu/keel/agn/]

원본보기 2 / 10

[네이버 지식백과] 중력 렌즈 - 우주의 신기루 (이미지 사이언스, 김충섭)

 

아인슈타인의 십자가 (The Einstein Cross)

이것은 중력렌즈현상으로 만들어진 4중 퀘이사이다. 4개의 퀘이사의 상이 열십자(+) 모양으로 배열하고 있어서 아인슈타인의 십자가라고도 불린다. 4개의 상 한 가운데 보이는 것은 중력렌즈작용을 하고 있는 타원은하이다. 이 퀘이사의 상들 사이의 간격(각거리)은 약 1" 정도인데 상들 사이의 간격은 천체의 질량이 클수록 크게 나타난다. 만약 은하보다 더 큰 중력을 갖는 은하단이 중력렌즈작용을 하는 경우에는 이보다 더 크게 나타난다. [사진_ ESO, F. Courbin 등]

원본보기 3 / 10

[네이버 지식백과] 중력 렌즈 - 우주의 신기루 (이미지 사이언스, 김충섭)

 

둥근 호 모양의 은하 (SDSS J1430)

타원은하를 감싸고 있는 거대한 푸른 천체의 정체는? 이것은 타원은하의 중력이 먼 뒤쪽에 있는 푸른 은하의 빛을 뒤틀어 둥근 호 모양으로 만들어 놓은 것이다. 두 은하가 지구상에서 볼 때 같은 직선상에 있어서 거의 둥근 고리 모양이 만들어졌다. 오른쪽 작은 사진은 두 은하의 모습을 재구성한 것이다. 중력렌즈현상을 잘 분석하면 은하의 질량과 빛으로 관측되지 않는 암흑물질의 양을 알 수 있는데 분석결과 은하전체에 걸쳐서 암흑물질이 증가하고 있음이 밝혀졌다. [사진_A. Bolton (UH/IfA) for SLACS and NASA/ESA]

원본보기 4 / 10

[네이버 지식백과] 중력 렌즈 - 우주의 신기루 (이미지 사이언스, 김충섭)

 

황소의 눈

한 은하의 뒤에 또 다른 은하가 몰래 숨어 있을 수 있을까? 적어도 B1938+666의 경우 불가능하다. 앞쪽에 있는 은하가 중력렌즈 작용을 해서 뒤에 있는 은하를 보여주고 있기 때문이다. 두 은하는 지구에서 볼 때 거의 정확히 일직선상에 정렬해서 뒤에 있는 은하의 모습이 앞에 있는 은하주위로 거의 완벽한 고리형태로 보이고 있다. 황소의 눈처럼 가운데 보이는 밝은 점은 중력렌즈로 작용하는 가까이 있는 은하이다. 아래쪽에는 또 다른 중력렌즈 작용으로 호모양의 은하가 만들어졌다. [사진_ L. J. King (U. Manchester), NICMOS, HST, NASA]

원본보기 5 / 10

[네이버 지식백과] 중력 렌즈 - 우주의 신기루 (이미지 사이언스, 김충섭)

 

허블이 찾아낸 아인슈타인의 고리들

중력렌즈 현상은 먼 우주를 관측할 때 자주 볼 수 있는 현상이다. 그동안 천문학자들은 우주를 관측하여 100개가 넘는 중력렌즈 현상을 발견하였다. 천문학자들은 SDSS(Sloan Digital Sky Survey, 우주의 3차원 지도 작성을 추진하는 국제 연구 프로젝트)와 허블우주망원경을 통하여 중력렌즈를 찾아내고 있다. 이 사진은 허블우주망원경이 찾아낸 8개의 아인슈타인 고리의 모습이다. [사진_NASA, ESA, A. Bolton 등]

원본보기 6 / 10

[네이버 지식백과] 중력 렌즈 - 우주의 신기루 (이미지 사이언스, 김충섭)

은하단 렌즈

빈 포도주 잔을 통해서 보는 물체의 상은 왜곡되어 보인다. 포도주 잔이 불규칙한 렌즈 역할을 하기 때문이다. 이와 비슷하게 중력렌즈에서도 일직선상에 놓이지 않은 천체의 상은 다양하게 나타난다. 점처럼 보이는 퀘이사는 여러 개로 보이고, 은하는 길게 늘어나 호 모양으로 보인다. 사진은 허블우주망원경으로 관측한 아벨 2218 은하단의 모습이다. 이 은하단은 용자리 방향으로 20억 광년 거리에 있는 큰 은하단으로 최대 1만 개의 은하가 모여 있다. 은하단 중심에 있는 은하들이 중력렌즈 역할을 하여 뒤쪽에 있는 은하들을 확대하거나 뒤틀어 놓고 있다. 은하단 중심 주위로 길게 늘어난 은하들은 중력렌즈상인데 일부는 여러 개로 보이고 있다. [사진_Andrew Fruchter 등, WFPC2, HST, NASA]

원본보기 7 / 10

[네이버 지식백과] 중력 렌즈 - 우주의 신기루 (이미지 사이언스, 김충섭)

 

먼 우주를 보여주는 은하단 렌즈

수천 개의 은하가 모인 은하단의 중력은 막강하여 은하단 뒤쪽에서 오는 천체의 모습을 일그러지게 만든다. 이 사진에서 노랗게 보이는 은하들은 처녀자리 방향으로 20억 광년 거리에 있는 아벨 1689 은하단의 은하들이다. 이 은하단은 우주에서 가장 질량이 큰 은하단의 하나이며 중력렌즈 작용이 크게 나타난다. 망원경의 렌즈가 멀리 있는 천체를 보여주듯이 중력렌즈도 멀리 있는 은하를 볼 수 있게 해주는 작용을 한다. 이 은하단의 중력렌즈 작용에 의해서 128억 광년 떨어진 원시 은하(A1689-zD1)가 발견되었다. [사진_N. Benitez (JHU) 등, ESA, NASA]

원본보기 8 / 10

[네이버 지식백과] 중력 렌즈 - 우주의 신기루 (이미지 사이언스, 김충섭)

 

은하단이 만든 5중 퀘이사

이 사진은 SDSS 프로젝트의 일환으로 허블우주망원경으로 촬영한 은하단(SDSS J1004+4112)이다. 이 은하단의 중심근처에서도 중력렌즈 현상이 나타나고 있다. 특이한 형태로 늘어난 은하들이 여러 개 보이고 있다. 이 은하단에서 주목할 것은 밝은 은하단 중심 주위로 보이는 5개의 흰 점이다. 이들은 퀘이사인데 하나의 퀘이사라는 것이 밝혀졌다. 이것은 허블우주망원경으로 처음으로 촬영된 5중 퀘이사이다. [사진_ K. Sharon, E. Ofek, ESA, NASA]

원본보기 9 / 10

[네이버 지식백과] 중력 렌즈 - 우주의 신기루 (이미지 사이언스, 김충섭)

 

은하의 진화와 우주 신기루

이 은하단(아벨 2667)에서는 무슨 일이 벌어지는 것일까? 오른쪽 끝에 보이는 은하는 엿가락처럼 늘어나고 사진 왼쪽 위의 나선은하는 찢어지고 있다. 이것은 실제 상황일까? 오른쪽 끝에 길게 늘어난 은하는 이 은하단의 중력렌즈작용에 의해서 만들어진 은하의 신기루이지만 왼쪽 위 은하는 그렇지 않다. 이 은하는 은하단의 암흑물질과 주위의 수많은 은하들과 가스에 의해서 발생한 중력으로 엄청난 속력으로 가속되고 있다. 이 은하는 우주의 수많은 은하들이 어떻게 진화해 왔는지 실마리를 풀어줄 것으로 기대된다. [사진_ NASA, ESA, Jean-Paul Kneib 등]

원본보기 10 / 10

[네이버 지식백과] 중력 렌즈 - 우주의 신기루 (이미지 사이언스, 김충섭)