강한 중력렌즈 효과

강한 중력렌즈 효과(Strong gravitational lensing)는 아인슈타인 고리처럼 여러 상을 만들 수 있을 정도로 충분히 강한 중력렌즈 효과이다. 강한 중력렌즈 효과가 일어나려면 렌즈 역할을 하는 천체의 질량 밀도가 임계밀도 $\Sigma _{cr}$ 보다 커야 한다. 이 효과로 나타나는 상은 뒤의 천체가 점 모양이면 여러 개로, 면적을 가졌으면 호나 고리 모양으로 보인다. 상의 형성은 홀수 정리를 따른다.^[1]

강한 중력렌즈 효과는 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성이론에서 예측하였으며, 1979년 데니스 왈시, 밥 칼스웰, 레이 웨이먼이 이중준성이라고 불리는 천체가 사실은 같은 천체가 상 2개로 나타나는 것임을 밝혀내며 참으로 밝혀졌다.^[2]

관측

강한 중력렌즈 효과 대부분은 은하단 규모의 광범위 관측에서 나타난다.

은하 중력렌즈

렌즈 역할을 하는 앞쪽 천체가 은하인 경우이다. 뒤 배경 천체가 퀘이사나 제트가 크지 않은 천체인 경우 상은 점 모양으로, 뒤 배경 천체가 은하이거나 제트가 발달한 천체인 경우 호나 고리 모양이 된다. 2017년 기준^[update], 은하와 은하 사이의 중력렌즈 효과가 나타나는 사례는 수백 건 이상이 관측되었으며,^[3] LSST와 유클리드 망원경을 통해서는 10만 개 이상을 새로 발견하리라고 기대되고 있다.^[4]

은하단 중력렌즈

앞쪽 천체가 은하단인 경우로, 보통 강한 중력렌즈 효과(상의 분산)와 약한 중력렌즈 효과(상의 교란)가 같이 나타난다. 대표적인 예시는 흔히 '녹은 고리'라고 불리는 은하단 GAL-CLUS-022058s이 있다.^[5]

천체물리학적 이용

질량 측정

중력렌즈 효과는 중력 퍼텐셜의 영향만 받기 때문에, 이를 이용해 렌즈 역할을 하는 천체의 질량을 결정할 수 있다. 구체적으로는, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 실제로 나타나는 상의 모습을 제일 잘 재현하는 경우를 질량으로 간주한다. 현재 학계에서는 이를 이용해 은하 중심의 질량 분포와 암흑물질 헤일로 연구를 진행하고 있다.^[6]

시간 지연

빛이 여러 상을 만들 때 지나는 경로도 여럿이 되므로, 각 경로에 따라 중력 퍼텐셜이 달라 시간이 지연되는 정도가 다르다. 여기서 천체의 질량과 물리 우주론에 따라 시간 지연의 정도가 달라지기 때문에, 허블 상수 등 우주론에서 등장하는 수치를 측정할 수 있다.^[7]

사진

중력렌즈 효과가 나타나는 은하단 SDSS J0928+2031.^[8]
허블 우주망원경이 촬영한 은하단 SDSS J1138+2754.^[9]
허블 우주망원경이 촬영한 은하단 GAL-CLUS-022058s으로, 흔히 '녹은 고리'라고 부른다.^[10]

각주

↑ Mediavilla, Evencio (2016). 《Astrophysical Applications of Gravitational Lensing》. Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-07854-3.
↑ Bernstein, G. M.; Tyson, J. A.; Kochanek, C. S. (1993). “A large arc in the gravitational lens system 0957 + 561”. 《The Astronomical Journal》 105: 816. Bibcode:1993AJ....105..816B. doi:10.1086/116474. ISSN 0004-6256.
↑ Wang, Lin; Shu, Yiping; Li, Ran; Zheng, Zheng; Wen, Zhonglue; Liu, Guilin (2017년 3월 28일). “SDSS J1640+1932: a spectacular galaxy–quasar strong lens system”. 《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》 (Oxford University Press (OUP)) 468 (3): 3757–3763. arXiv:1703.07495. Bibcode:2017MNRAS.468.3757W. doi:10.1093/mnras/stx733. ISSN 0035-8711.
↑ Collett, Thomas E. (2015). “The population of galaxy-galaxy strong lenses in forthcoming optical imaging surveys”. 《The Astrophysical Journal》 811 (1): 20. arXiv:1507.02657. Bibcode:2015ApJ...811...20C. doi:10.1088/0004-637X/811/1/20. ISSN 1538-4357. S2CID 55417261.
↑ Tuesday, Hailey Rose McLaughlin. “Hubble captures a clear shot of a 'Molten Ring'”. 《Astronomy.com》 (영어).
↑ Kochanek, C. S. (2006). 〈Strong Gravitational Lensing〉. 《Gravitational Lensing: Strong, Weak and Micro》. Saas-Fee Advanced Courses 33. 91–268쪽. doi:10.1007/978-3-540-30310-7_2. ISBN 978-3-540-30309-1.
↑ Courbin, Frédéric; Minniti, Dante (2002). 《Gravitational Lensing: An Astrophysical Tool》. Lecture Notes in Physics 608. doi:10.1007/3-540-45857-3. ISBN 978-3-540-44355-1. ISSN 0075-8450.
↑ “Peering into the past”. 《www.spacetelescope.org》 (영어). 2019년 1월 21일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2019년 1월 21일에 확인함.
↑ “Awesome gravity”. 《www.spacetelescope.org》. 2020년 8월 5일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2018년 9월 10일에 확인함.
↑ Jenner, Lynn (2021년 9월 22일). “Hubble Snapshot of "Molten Ring" Galaxy Prompts New Research”. 《NASA》.

[Mediavilla_2016_p.-1] Mediavilla, Evencio (2016). 《Astrophysical Applications of Gravitational Lensing》. Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-07854-3.

[BernsteinTyson1993-2] Bernstein, G. M.; Tyson, J. A.; Kochanek, C. S. (1993). “A large arc in the gravitational lens system 0957 + 561”. 《The Astronomical Journal》 105: 816. Bibcode:1993AJ....105..816B. doi:10.1086/116474. ISSN 0004-6256.

[Wang_Shu_Li_Zheng_pp._3757–3763-3] Wang, Lin; Shu, Yiping; Li, Ran; Zheng, Zheng; Wen, Zhonglue; Liu, Guilin (2017년 3월 28일). “SDSS J1640+1932: a spectacular galaxy–quasar strong lens system”. 《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》 (Oxford University Press (OUP)) 468 (3): 3757–3763. arXiv:1703.07495. Bibcode:2017MNRAS.468.3757W. doi:10.1093/mnras/stx733. ISSN 0035-8711.

[Collett2015-4] Collett, Thomas E. (2015). “The population of galaxy-galaxy strong lenses in forthcoming optical imaging surveys”. 《The Astrophysical Journal》 811 (1): 20. arXiv:1507.02657. Bibcode:2015ApJ...811...20C. doi:10.1088/0004-637X/811/1/20. ISSN 1538-4357. S2CID 55417261.

[MoltenRing3-5] Tuesday, Hailey Rose McLaughlin. “Hubble captures a clear shot of a 'Molten Ring'”. 《Astronomy.com》 (영어).

[Kochanek2006-6] Kochanek, C. S. (2006). 〈Strong Gravitational Lensing〉. 《Gravitational Lensing: Strong, Weak and Micro》. Saas-Fee Advanced Courses 33. 91–268쪽. doi:10.1007/978-3-540-30310-7_2. ISBN 978-3-540-30309-1.

[CourbinMinniti2002-7] Courbin, Frédéric; Minniti, Dante (2002). 《Gravitational Lensing: An Astrophysical Tool》. Lecture Notes in Physics 608. doi:10.1007/3-540-45857-3. ISBN 978-3-540-44355-1. ISSN 0075-8450.

[8] “Peering into the past”. 《www.spacetelescope.org》 (영어). 2019년 1월 21일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2019년 1월 21일에 확인함.

[9] “Awesome gravity”. 《www.spacetelescope.org》. 2020년 8월 5일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2018년 9월 10일에 확인함.

[MoltenRing1-10] Jenner, Lynn (2021년 9월 22일). “Hubble Snapshot of "Molten Ring" Galaxy Prompts New Research”. 《NASA》.

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