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1. 개요
중력에 의해 빛이 휘는 것 처럼 보이는 현상. 정확히 말하면 중력원 주변을 통과하는 전자기파의 상이 확대/왜곡되거나 여러 개로 보이는 현상을 지칭한다.중력 렌즈는 중력장에 의해 왜곡된 시공간을 빛이 통과할 때 발생하는 효과이다. 빛은 항상 측지선을 따라 이동하며, 평평한 공간에서 이는 빛의 직진성으로 나타나게 된다. 그러나 중력장이 존재할 경우 외부 관측자의 입장에서 이 측지선이 더 이상 직선이 아니게 되며 진입할 때와 탈출할 때의 빛의 진행방향에 차이가 발생하게 되어 이것이 중력 렌즈 효과로 나타나게 된다.
2. 설명
블랙홀이 은하수를 배경으로 지나갈 경우의 중력 렌즈 효과를 시뮬레이션한 영상.[1]
고전 물리 이론에서는 빛은 파동이므로 공간상에서 직진하는 것이 당연하였고 광양자 가설에 의해 입자로 간주된 뒤에도 그 질량이 0이기 때문에 중력의 영향을 받지 않아서 우주공간 상에서 직진하는 것이 당연하였다. 일반상대론에서도 빛이 직진하지만, 여기서의 직진은 공간의 곡률을 반영하여 최단 경로를 따르는 것으로 일반화된 것이다. 기존에 평평하고 불변하는 것으로 여겨졌던 공간이 중력에 따라 휘고, 이 휜 공간을 따라 빛도 움직인다. 이러한 효과가 보정되지 않은 역학은 수성의 궤도와 이 현상을 설명하는 데에 한계가 있었으며, 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 효과 자체는 중력장에 의해 시간이 흐름이 바뀌어 빛의 굴절이 발생하는 현상으로 해석할 수도 있다. 중력장에 의해 시간이 느려지는 효과를 빛의 굴절률이 생기는 것으로 해석하면 빛의 휘어짐 정도를 계산할 수 있으며 동일한 맥락으로 페르마의 원리도 성립된다.
중력 렌즈 효과로 인해 광원의 위치가 바뀌는 것 뿐만 아니라 실제 렌즈처럼 광량을 증폭하는 효과도 있어서 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 질량 정도 되는 행성이 40억 광년 떨어진 위치에 존재하는 걸 확인했다고 한다. 행성, 그것도 40억 광년 거리에. 현재까지 가장 먼 거리에서 발견된 행성으로 위키백과에 랭크되어 있다.#[2]
또한 관측된 가장 멀리 있는 항성인 WHL0137-LS 역시 중력 렌즈 현상 덕에 관측이 가능했다. 이쪽은 지구에서 280억 광년 떨어진 곳에 존재한다. 어쩌다 보니 렌즈의 초점이 맞는 정확한 위치에 항성 하나가 있었다 수준의 우연의 산물이다.
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. 인류가 만든 인공물 중 가장 멀리 이동한 보이저 1호가 이동한 거리보다도 몇 배나 먼 거리이므로 근미래에는 실현하기 어려울 것으로 보인다.
3. 역사
중력 렌즈 효과는 아인슈타인이 1907, 1911년 예측한 태양의 중력장에 의한 시공의 왜곡을 응용한 것이다. 이 현상 자체는 1919년 에딩턴 등이 시행한 개기일식 원정 실험에 의해 입증되었다. 아인슈타인은 중력 렌즈 이론이 완성되기 한참 전인 24년 전(...) 1912년에 이미 중력 렌즈 효과에 관한 개념을 생각하고 노트에 관련 계산을 적어놓았으나 '관측 가능성이 거의 없다'(이론의 검증에 도움이 되지 않음)고 보고 출판하지 않았다. 이후 오레스트 흐볼슨(Orest Khvolson)[Chwolson(1924)] 등이 유사한 아이디어를 독립적으로 논문으로 출판했으나 이 논문들은 주목 받지 못하고 묻혔다.중력 렌즈 효과가 본격적으로 학계에 알려진 것은 1936년 아인슈타인이 그것을 다시 계산해 논문으로 출판하면서이다. 아인슈타인이 미국에 있을 때 체코에서 망명해 식당에서 식기세척 일을 하던 아마추어 물리학자 루디 맨들(Rudi W. Mandl)은 중력 렌즈에 관한 아이디어를 「Sience Service」에 투고 했다. 사이언스 서비스 편집부는 이를 흥미로워하며 특집으로 편성키 위해 루디 맨들이 자문을 받을 수 있도록 아인슈타인과의 만남을 주선했다.# 아인슈타인은 이미 20년 전 계산을 끝내놓았으므로 매우 자세하게 화답했지만, 관측이 불가능하다고 여겨 논문으로 출판하는 것은 의미가 없다고 생각해 역시나 별도로 발표를 하는 것은 내키지 않아 했다.[4] 하지만 맨들은 획기적인 이론이라며 아인슈타인을 계속해서 설득했고, 결국 아인슈타인은 마지못해 사이언스 지에 중력 렌즈 현상에 대한 자신의 예측과 계산을 정리하여 「중력장에서 빛의 편차에 의한 별의 렌즈와도 같은 작용」이라는 제목으로 논문을 투고한다.[Einstein(1936)]
아인슈타인 본인에겐 그저 스쳐지나가는 아이디어에 불과했으나, 이 논문은 당사자의 예상 외로 반향이 컸고 천문학 학계 전반에서 매우 진지하게 논의되었다. 논문이 배포된 즉시 캘리포니아 공과대학교 소속 천문학자였던 프리츠 츠비키(Fritz Zwicky, 1898~1974)는 아인슈타인 말대로 가능성이 적은 별 대신 외부 은하에 의한 중력 렌즈 효과의 가능성을 논했으며, 이후 1960년대에 이르러 발견된 퀘이사(Quasar)의 거리를 가늠하는 데에 중력 렌즈 효과가 적용되는 것을 기점으로 실제 적용이 이뤄지기 시작했다. 그러나 아인슈타인의 계산은 매우 단순한 조건인 구형 대칭에서만 적용되기에 보다 일반적인 상황에서 중력 렌즈 효과를 고려하기 위해서는 훨씬 정교한 모델이 고안되어야 했다. 이러한 이론적 작업 이후 1979년 처음으로 퀘이사(Q0957+561)의 이중상(double image)이 발견됨으로써 중력 렌즈 효과가 실증되었다. 1985년에는 아인슈타인 십자가(Eistein Cross)를 나타내는 퀘이사 QSO 2237+0305가 발견되었고, 1988년에는 아인슈타인 링(Einstein ring)의 첫번째 예시(MG1131+0456)가 발견되었다.[6]
4. 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, 2021년 8월에 지구에서 34억 광년 떨어진 두개의 은하로 인해 뒤에 150억 광년 떨어진 퀘이사가 4개의 상으로 보이고 빛이 완벽한 원의 형태로 퍼져있는 아인슈타인 십자가와 결합된 아인슈타인 링을 발견했다. 예시
- 아인슈타인의 십자가: 렌즈 역할을 하는 천체의 질량 분포가 비대칭적일 경우 천체의 상이 여러 개가 보일 수 있다.
- 미세중력렌즈(Microlensing): 항성 스케일에서 발생하는 중력 렌즈 현상. 적당한 거리만큼 떨어진 두 별이 시선 방향으로 일직선을 그리며 지나갈 경우 가운데에 있는 별의 중력에 의해 시공간과 빛이 함께 휘어진다. 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. 또한 이를 통해 먼 우주의 천체에 대한 직접적인 관측도 가능하기 때문에 초기 우주 연구에도 사용되고 있다.
5. 창작물에서의 표현
- 창세기전을 관통하는 뫼비우스의 우주에서 중심되는 설정이다. 블랙홀의 거울 효과라고 명명했는데 아르케 인들이 이주 목표로 삼았던 성단이 알고보니 블랙홀에 의해서 빛이 휘어저 관측된 자신들의 성단이었다는 설정이다. 좀더 심도 있는 조사는 구상성단의 수명문제라는 사정 때문에 불가능했기에 그냥 우주선을 보내버려 타임 패러독스가 발생한다.
- 기동전사 건담 UC에서 콜로니 레이저로 메가라니카를 쏘는데 지구의 중력을 이용해 조준하여 발사했다.
- 영화 인터스텔라의 천체 가르강튀아를 둥글게 감싸는 빛의 고리는 뒤쪽의 강착원반이 중력 렌즈 효과를 받은 것이다.
- 소설 삼체(소설)에서는 중력 렌즈 효과를 이용한 천체망원경을 개발 및 운용한다.
[1] 비교적 저속 회전하는 블랙홀의 경우이며, 블랙홀 중에서도 비교적 고속 회전하는 블랙홀에 대한 시뮬레이션 영상은 링크 참조[2] 다만 실제 중력 렌즈 현상인지는 논란의 여지가 있다. 다시 관측될 가능성도 거의 없다.[Chwolson(1924)] Orest Chwolson, "Über eine mögliche Form fiktiver Doppelsterne" Astronomische Nachrichten 221 (1924) : 329-330.[4] 1912년에 이미 계산되어 있었다는 자료는 1990년대에 Renn에 의해 발견되었다. Renn(1997) J Renn, T Sauer, J Stachel, "The Origin of Gravitational Lensing: A Postscript to Einstein's 1936 Science Paper", Science 275 (1997) :184-186 #[Einstein(1936)] A. Einstein, "Lens-Like Action of a Star by the Deviation of Light in the Gravitational Field", Science 84 (1936): 506-507 #[6] Tilman Sauer, "A brief history of gravitational lensing", Einstein Online Vol. 04 (2010) : 1005 #