아인슈타인 고리
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.
| 영어 명칭 | Einstein ring |
|---|---|
| 다른 이름 | Chwolson ring (흘볼손 고리) |
| 유형 | 중력 렌즈 효과 |
|---|---|
| 설명 | 중력 렌즈 효과에 의해 빛이 렌즈 역할을 하는 천체 주위를 돌아 휘어져 관찰자에게 도달할 때 나타나는 현상. 렌즈 역할을 하는 천체와 빛을 내는 천체가 정확히 일직선상에 놓일 때 완벽한 고리 모양으로 나타남. |
| 최초 예측 | 1912년, 앨버트 아인슈타인 |
|---|---|
| 최초 관측 | 1988년, 전파원 MG1131+0456에서 발견 |
| 관련 과학자 | 앨버트 아인슈타인 오레스트 흘볼손 |
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| 관련 논문 | "Über eine mögliche Form fiktiver Doppelsterne" (가상 쌍성의 가능한 형태에 대해), O. 흘볼손, Astronomische Nachrichten, 221, 329 (1924) http://adsabs.harvard.edu/abs/1924AN....221..329C |
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광학 현상 -
그림자
빛의 직진성으로 물체에 가려 생기는 어두운 영역인 그림자는 광원의 종류와 스크린과의 교차각에 따라 형태와 속력이 달라지며, 물리적 현상 외에도 통신, 천문, 예술, 심리학 등 다양한 분야에서 중요한 의미와 상징성을 가진다. -
광학 현상 -
틴들 효과
틴들 효과는 콜로이드 용액 속 미세 입자들이 빛을 산란시켜 빛의 경로가 보이게 되는 현상으로, 입자의 크기, 농도, 모양에 따라 산란 정도가 달라지며 다양한 분야에 응용된다. -
중력의 영향 -
조산 운동
조산 운동은 지각 변동으로 산맥이 형성되는 과정을 의미하며, 판 구조론에 기반하여 섭입, 대륙 충돌 등의 요인으로 발생하고, 윌슨 순환을 통해 해양 분지의 열림과 닫힘, 산맥 형성, 침식 과정을 거쳐 전 세계 지질 구조 형성에 영향을 미친다. -
중력의 영향 -
조석력
조석력은 물체가 다른 물체의 중력에 의해 받는 힘으로, 천체의 크기와 거리에 따라 달라지며, 물체를 찌그러뜨리거나 파괴하고, 조석 고정, 조석 가열, 지진 활동 유발 등 다양한 효과를 발생시킨다. -
중력렌즈 -
우주 마이크로파 배경
우주 마이크로파 배경(CMB)은 빅뱅 이후 남은 잔광으로 여겨지는 2.725 K의 극저온 흑체 복사이며, 미세한 온도 비등방성을 통해 초기 우주 구조 형성, 우주 팽창, 우주론 모델 검증에 결정적인 증거를 제공하고, 특히 편광 측정은 우주 급팽창 이론과 원시 중력파 존재 확인에 기여할 것으로 기대된다. -
중력렌즈 -
아인슈타인 십자가
아인슈타인 십자가는 페가수스자리에 위치한 퀘이사가 렌즈 은하의 중력 렌즈 효과로 인해 4개의 상으로 보이는 현상이다.
2. 역사
알베르트 아인슈타인은 1912년에 중력 렌즈에 의한 빛 굴절을 예측했고, 이는 1916년 일반 상대성 이론으로 정립되었다. 1924년 오레스트 흐볼손은 광원, 렌즈, 관측자가 거의 완벽하게 정렬될 때 발생하는 "헤일로 효과"를 언급하며 아인슈타인 고리의 가능성을 제시했다. 아인슈타인은 1936년 논문에서 이 현상을 직접 관찰하기는 어렵다고 언급했지만, 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.
3. 아인슈타인 고리의 크기
아인슈타인 고리의 크기는 아인슈타인 반지름으로 주어진다. 라디안 단위로 나타내면 다음과 같다.
:
여기서
*는 중력 상수,
*은 렌즈의 질량,
*는 광속,
*는 렌즈까지의 각 지름 거리,
*는 광원까지의 각 지름 거리,
*는 렌즈와 광원 사이의 각 지름 거리이다.
우주론적 거리에서 일반적으로 이다.
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. 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.
2005년, 슬론 디지털 스카이 서베이(SDSS)와 허블 우주 망원경을 이용한 SLACS 서베이에서 19개의 새로운 중력 렌즈를 발견했으며, 그 중 8개가 아인슈타인 고리를 보였다. 2009년까지, 이 서베이는 85개의 확인된 중력 렌즈를 발견했지만 아인슈타인 고리를 보여주는 숫자는 아직 없다.
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, 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.
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.
* [[B1938+666]]: MERLIN으로 촬영하고 허블 우주 망원경을 이용해 광학적으로 추적하여 발견된 최초의 완전한 아인슈타인 고리이다. 렌즈 역할을 하는 은하는 오래된 타원 은하이며, 렌즈를 통해 보이는 이미지는 어두운 왜소 은하 위성 은하이다.
* [[SDSSJ0946+1006]](이중 아인슈타인 고리): 동일한 중력 렌즈를 통해 여러 개의 고리가 관측되어 주목할 만하다.
* [[PKS 1830-211]] 주변의 전파/X선 아인슈타인 고리: 전파에서 유난히 강하며, 찬드라 X선 관측소에서 발견되었다. 퀘이사가 거의 정면으로 향한 나선 은하에 의해 렌즈된 최초의 사례이기도 하다.
* [[MG1654+1346]]: 전파 고리를 특징으로 하며, 이 고리의 이미지는 전파 은하의 전파 로브이다.
* [[SPT0418-47]]: 제임스 웹 우주 망원경(JWST)으로 촬영되었으며, 유기 분자(방향족 화합물)가 풍부한 고적색편이 은하가 거의 완벽한 아인슈타인 고리 형태로 나타난다.
5. 추가 고리
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.
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.