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아인슈타인 고리

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목차

1. 개요

아인슈타인 고리는 광원, 렌즈, 관측자가 거의 완벽하게 정렬될 때 중력 렌즈 현상에 의해 나타나는 고리 모양의 이미지이다. 알베르트 아인슈타인은 1912년에 중력에 의한 빛 굴절을 예측했으며, 1936년에는 별에 의해 생성되는 아인슈타인 고리를 관찰할 가능성을 언급했지만, 은하나 블랙홀과 같은 더 큰 렌즈에 의해 생성된 것을 관찰할 가능성이 더 높다. 최초의 완전한 아인슈타인 고리는 1998년에 발견되었으며, 현재까지 수백 개의 중력 렌즈가 알려져 있다.

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아인슈타인 고리
아인슈타인 고리
현상
역사
관련 인물
참고 자료

2. 역사

알베르트 아인슈타인은 1912년에 중력 렌즈에 의한 빛 굴절을 예측했고,[1] 이는 1916년 일반 상대성 이론으로 정립되었다.[1] 1924년 오레스트 흐볼손은 광원, 렌즈, 관측자가 거의 완벽하게 정렬될 때 발생하는 "헤일로 효과"를 언급하며 아인슈타인 고리의 가능성을 제시했다.[5] 아인슈타인은 1936년 논문에서 이 현상을 직접 관찰하기는 어렵다고 언급했지만,[5] 이후 더 큰 천체에 의한 중력 렌즈 효과 관측 가능성이 제기되었다.

1998년 맨체스터 대학교 천문학자들과 NASA의 허블 우주 망원경의 협력으로 최초의 완전한 아인슈타인 고리(B1938+666)가 발견되었다.[7]

3. 아인슈타인 고리의 크기

중력 렌즈에 의해 생성된 완전한 아인슈타인 고리의 기하학


아인슈타인 고리의 크기는 아인슈타인 반지름으로 주어진다. 라디안 단위로 나타내면 다음과 같다.

:\theta_1 = \sqrt{\frac{4GM}{c^2} \frac{D_{LS}}{D_S D_L}}

여기서

  • G는 중력 상수,
  • M은 렌즈의 질량,
  • c는 광속,
  • D_L는 렌즈까지의 각 지름 거리,
  • D_S는 광원까지의 각 지름 거리,
  • D_{LS}는 렌즈와 광원 사이의 각 지름 거리이다.[3]


우주론적 거리에서 일반적으로 D_{LS} \ne D_S - D_L이다.

4. 알려진 아인슈타인 고리

현재까지 수백 개의 중력 렌즈가 알려져 있다. 그 중 약 절반 정도는 지름이 최대 각초에 달하는 부분적인 아인슈타인 고리 형태를 띠고 있지만, 렌즈의 질량 분포가 완벽하게 축대칭이 아니거나, 광원, 렌즈, 관측자가 완벽하게 정렬되지 않아 완벽한 아인슈타인 고리는 아직 발견되지 않았다. 대부분의 고리는 전파 영역에서 발견되었다.[7] 중력 렌즈를 통해 보이는 이미지가 아인슈타인 고리로 간주되기 위해 필요한 완전성의 정도는 아직 정의되지 않았다.

최초로 발견된 완전한 아인슈타인 고리는 B1938+666이며, 1998년 맨체스터 대학교 천문학자들과 NASA의 허블 우주 망원경 간의 협력을 통해 발견되었다.[7]



2005년, 슬론 디지털 스카이 서베이(SDSS)와 허블 우주 망원경을 이용한 SLACS 서베이에서 19개의 새로운 중력 렌즈를 발견했으며, 그 중 8개가 아인슈타인 고리를 보였다.[14] 2009년까지, 이 서베이는 85개의 확인된 중력 렌즈를 발견했지만 아인슈타인 고리를 보여주는 숫자는 아직 없다.[15]

SLACS 서베이는 광학 영역에서 아인슈타인 고리의 최근 발견의 대부분을 담당하고 있으며, 다음은 발견된 몇 가지 예이다.

  • FOR J0332-3557: 2005년 레미 카바낙 등에 의해 발견되었으며,[16] 높은 적색편이로 인해 초기 우주에 대한 관측을 할 수 있다는 점에서 주목할 만하다.
  • "우주 말발굽": LRG 3-757의 중력 렌즈를 통해 관측된 부분적인 아인슈타인 고리이며, LRG 3-757은 눈에 띄게 큰 발광 적색 은하이다. 2007년 V. 벨로쿠로프 등이 발견했다.[17]

4. 1. 주목할 만한 아인슈타인 고리


  • MG1131+0456: 초대형 배열(VLA)을 사용하여 관측된 최초의 아인슈타인 고리 중 하나이다. 이 관측에서는 더 가까운 은하에 의해 렌즈되어 퀘이사의 두 개로 분리되었지만 매우 유사한 이미지가 나타났으며, 이 이미지는 렌즈 주위를 거의 완벽한 고리 형태로 둘러싸고 있다.[11]
  • B1938+666: MERLIN으로 촬영하고 허블 우주 망원경을 이용해 광학적으로 추적하여 발견된 최초의 완전한 아인슈타인 고리이다.[7][12] 렌즈 역할을 하는 은하는 오래된 타원 은하이며, 렌즈를 통해 보이는 이미지는 어두운 왜소 은하 위성 은하이다.[13]
  • SDSSJ0946+1006(이중 아인슈타인 고리): 동일한 중력 렌즈를 통해 여러 개의 고리가 관측되어 주목할 만하다.[18]
  • PKS 1830-211 주변의 전파/X선 아인슈타인 고리: 전파에서 유난히 강하며, 찬드라 X선 관측소에서 발견되었다.[19][20] 퀘이사가 거의 정면으로 향한 나선 은하에 의해 렌즈된 최초의 사례이기도 하다.[21]
  • MG1654+1346: 전파 고리를 특징으로 하며, 이 고리의 이미지는 전파 은하의 전파 로브이다.[22]
  • SPT0418-47: 제임스 웹 우주 망원경(JWST)으로 촬영되었으며, 유기 분자(방향족 화합물)가 풍부한 고적색편이 은하가 거의 완벽한 아인슈타인 고리 형태로 나타난다.[23][24]

5. 추가 고리

SDSSJ0946+1006는 이중 아인슈타인 고리이다. 허블 우주 망원경/NASA/ESA 제공


허블 우주 망원경을 사용하여 STScI의 라파엘 가바찌와 캘리포니아 대학교 산타바바라의 토마소 트루가 이중 고리를 발견했다. 이는 30억, 60억, 110억 광년 거리에 있는 세 개의 은하에서 나온 빛으로 인해 발생한다. 이러한 고리는 암흑 물질, 암흑 에너지, 멀리 떨어진 은하의 특성, 그리고 우주의 곡률에 대한 이해를 돕는다. 거대한 은하 주위에서 이러한 이중 고리를 발견할 확률은 1만 분의 1이다. 적합한 이중 고리 50개를 표본 추출하면 천문학자들은 우주의 암흑 물질 함량과 암흑 에너지 상태 방정식을 10% 이내의 정확도로 더욱 정확하게 측정할 수 있다.[25]

6. 시뮬레이션

슈바르츠실트 블랙홀을 우리와 은하 중심 사이의 은하 평면에서 확대한 시뮬레이션에서, 첫 번째 아인슈타인 고리는 가장 왜곡된 영역이며 은하 원반을 보여준다. 그 다음 블랙홀 그림자에 점점 더 얇아지고 가까워지는 4개의 추가 고리가 나타난다. 이들은 은하 원반의 다중 이미지이다. 첫 번째와 세 번째 고리는 블랙홀 뒤쪽(관찰자 위치에서)의 지점에 해당하며, 이는 은하 원반의 밝은 노란색 영역(은하 중심 근처)에 해당한다. 두 번째와 네 번째 고리는 관찰자 뒤쪽에 있는 물체의 이미지에 해당하며, 해당 부분의 은하 원반이 더 얇고 더 어둡기 때문에 더 푸르게 보인다.[1]

참조

[1] 뉴스 Astronomers Observe Supernova and Find They're Watching Reruns https://www.nytimes.[...] The New York Times 2015-03-05
[2] 뉴스 Einstein's Telescope - video (02:32) https://www.nytimes.[...] The New York Times 2015-03-05
[3] 웹사이트 Gravitational lensing https://www.cfa.harv[...] Harvard and Smithsonian 2019-12-21
[4] 뉴스 ALMA at Full Stretch Yields Spectacular Images http://www.eso.org/p[...] ESO Announcement 2015-04-22
[5] 웹사이트 The Early History of Gravitational Lensing http://www.nd.edu/~h[...] 2006-02-14
[6] 웹사이트 IDEA MAN https://www.slac.sta[...] 2023-11-04
[7] 웹사이트 A Bull's Eye for MERLIN and the Hubble http://www.merlin.ac[...] University of Manchester 1998-03-27
[8] 간행물 Close stellar conjunctions of α Centauri A and B until 2050 2016-10-19
[9] 간행물 Two new large-separation gravitational lenses from SDSS 2009-01
[10] 웹사이트 Hubble Sees A Smiling Lens http://www.nasa.gov/[...] NASA 2015-02-10
[11] 웹사이트 Discovery of the First "Einstein Ring" Gravitational Lens http://www.nrao.edu/[...] NRAO 2000-01-01
[12] 뉴스 'Einstein Ring' Caused by Space Warping Is Found https://query.nytime[...] The New York Times 1998-03-31
[13] 간행물 Gravitational detection of a low-mass dark satellite at cosmological distance 2012-01
[14] 웹사이트 Hubble, Sloan Quadruple Number of Known Optical Einstein Rings http://hubblesite.or[...] 2014-07-16
[15] 간행물 The Sloan Lens ACS Survey. IX. Colors, Lensing and Stellar Masses of Early-type Galaxies 2009-11
[16] 간행물 Discovery of a high-redshift Einstein ring 2005-04-27
[17] 간행물 The Cosmic Horseshoe: Discovery of an Einstein Ring around a Giant Luminous Red Galaxy 2007-12
[18] 간행물 The Sloan Lens ACS Survey. VI: Discovery and Analysis of a Double Einstein Ring 2008-04
[19] 간행물 X-Ray Absorption toward the Einstein Ring Source PKS 1830-211 1997-07-20
[20] 웹사이트 Chandra Detection of AN X-Ray Einstein Ring in PKS 1830-211 https://www.research[...] 2014-07-16
[21] 간행물 Cosmic alignment towards the radio Einstein ring PKS 1830-211 ? 2002-08
[22] 간행물 MG 1654+1346 - an Einstein Ring image of a quasar radio lobe 1989-05
[23] 간행물 Spatial variations in aromatic hydrocarbon emission in a dust-rich galaxy https://www.nature.c[...] 2023-06-02
[24] 뉴스 Webb Telescope Detects Universe's Most Distant Organic Molecules https://today.tamu.e[...] Texas A&M Today 2023-06-05
[25] 웹사이트 Hubble Finds Double Einstein Ring http://hubblesite.or[...] Space Telescope Science Institute 2008-01-26
[26] 저널 Über eine mögliche Form fiktiver Doppelsterne http://adsabs.harvar[...] 1924-06-01


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