중력 렌즈 효과
1. 설명
중력에 의해 빛이 굴절하는 현상. 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 의해 예측되었고 아서 스탠리 에딩턴에 의해 처음으로 관측되면서 일반 상대성 이론의 강력한 증거가 되었다.
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블랙홀이 은하수를 배경으로 지나갈 경우의 중력 렌즈 효과를 시뮬레이션한 영상.[1]
고전 물리 이론에서는 빛은 파동이기 때문에 공간상에서 직진하는 것이 당연하였고 광양자 가설에 의해 입자로 간주된 뒤에도 그 질량이 0이기 때문에 중력의 영향을 받지 않아서 우주공간 상에서 직진하는 것이 당연하였다. 이를 깨트린 것이 일반 상대성 이론. 이에 따르면 기존에 평평하고 불변하는 것으로 여겨졌던 공간이 중력에 따라 휘기 때문에 이 휜 공간을 따라 빛도 굴절하게 된다. 이러한 효과는 수성의 궤도와 함께 기존의 역학으로는 설명할 수 없는 현상으로 일반 상대성이론이 수성의 궤도를 효과적으로 설명한 것과 이전에 알려진 바 없었던 중력렌즈 효과가 에딩턴경에 의해 관측되면서 일반 상대성 이론이 기존의 역학을 누르고 패러다임을 차지하게 된다.
중력 렌즈 효과로 인해 광원의 위치가 바뀌는 것 뿐만 아니라 실제 렌즈처럼 광량을 증폭하는 효과도 있기 때문에 매우 먼 거리에 있는 천체를 관측하는데 이용되기도 한다. 이러한 목적의 관측은 허블 우주 망원경이 찍은 허블 프론티어 필드(Hubble Frontier Field)가 대표적이다.
Rudy E. Schild가 이끄는 하버드의 천체물리학 연구팀은 중력렌즈 효과를 통하여 지구의 약 3배 질량정도 되는 '''행성'''이 '''40억 광년''' 떨어진 위치에 존재하는걸 확인했다고 한다. 행성, 그것도 40억 광년 거리에. 현재까지 가장 먼 거리에서 발견된 행성으로 위키백과에 랭크되어 있다.#[2]
태양이 일으키는 중력 렌즈 효과를 대물렌즈로 사용하는 초대형 우주망원경을 만들자는 아이디어가 있다. 이것이 실현된다면 수십광년 떨어진 행성의 고해상도 사진을 얻을 수 있는 초고성능 망원경이 되겠지만 이를 위해서는 접안 렌즈를 태양에서 550AU 거리에 설치해야 한다. 이는 현재까지 인류가 만든 인공물 중 가장 멀리 이동한 보이저 1호가 이동한 거리보다도 몇 배나 먼 거리이므로 근미래에는 실현하기 어려울 것으로 보인다.
2. 예시
- 아서 스탠리 에딩턴의 1919년 개기일식 실험: 일반 상대성 이론을 검증했던 실험으로 태양을 스쳐 지나가는 별빛의 휘어짐을 관측했다.
- 거시중력렌즈(Macrolensing): 은하나 은하단과 같은 큰 중력을 가진 천체가 앞에 있을 때 배경에 있는 은하들의 형태가 찌그러져 보이는 현상이며, 현재까지는 인류가 유일하게 그 형태를 관측할 수 있는 중력 렌즈 현상이다. 은하들의 배치가 시선 방향으로 완벽한 배치를 이루면 좋겠지만 그러한 경우는 흔치 않기 때문에 은하의 상이 약간 찌그러지거나 심한 경우 호(弧) 모양으로 변형된 형태로 발견되는 경우가 많다.
- 은하단의 중력 렌즈: 질량이 큰 은하단이 중력 렌즈 역할을 하여 배경의 은하들의 모습이 호 모양으로 찌그러져 보인다. 이 찌그러진 정도를 측정하여 역으로 은하단의 질량을 추정해볼 수 있다. 이 예시와 같이 육안으로 호 모양이 뚜렷하게 나타나는 경우도 있으며, 배경 은하들의 찌그러진 경향성을 통계적으로 분석하여 중력 렌즈를 측정하는 방법도 있다.
- 아인슈타인 링: "관측자-중력원-광원"이 일직선으로 존재하는 경우 광원에서 나온 빛이 중력원의 주변을 지나쳐서 오기 때문에 중력원 주변이 고리처럼 보이는 현상이다. 시선 방향으로 일직선에 가깝게 정렬된 세 천체가 있어야 하기 때문에 매우 드문 현상이며, 현재까지 완벽한 아인슈타인 링은 발견되지 않았다. 예시
- 아인슈타인의 십자가: 렌즈 역할을 하는 천체의 질량 분포가 비대칭적일 경우 천체의 상이 여러 개가 보일 수 있다.
- 미소중력렌즈(Microlensing): 항성 스케일에서 발생하는 중력 렌즈 현상. 적당한 거리만큼 떨어진 두 별이 시선 방향으로 일직선을 그리며 지나갈 경우 가운에 있는 별이 렌즈 역할을 하여 배경에 있는 별의 상을 굴절시킨다. 물론 상의 크기가 매우 작기 때문에 별의 모양이 왜곡되는 것을 직접 관측하는 것은 불가능하지만 중력 렌즈가 볼록 렌즈와 비슷한 역할을 하기 때문에 별의 밝기가 단시간 동안 수 배 이상 급격하게 밝아지는 것을 관측할 수 있다. 직접 관측이 어려운 블랙홀이나 갈색 왜성, 행성 등을 찾는 데 주로 쓰인다.
3. 창작물에서의 표현
- 창세기전을 관통하는 뫼비우스의 우주에서 중심되는 설정이다. 블랙홀의 거울 효과라고 명명했는데 먼 우주로 우주선을 보낸 목표가 알고보니 블랙홀에 의해서 휘어진 자신들의 외행성이 었다는 설정이다. 좀더 심도 있는 연구를 하기 전에 정치적 자연환경적 사정때문에 불가능했기에 그냥 우주선을 보내버려 타임 패러독스가 발생한다.
- 기동전사 건담 UC에서 콜로니 레이저로 메가라니카를 쏘는데 지구의 중력를 이용해 조준하여 발사했다.
- 영화 인터스텔라의 천체 가르강튀아를 둥글게 감싸는 빛의 고리는 뒤쪽의 강착원반이 중력 렌즈 효과를 받은 것이다.