중력 렌즈

Gravitational lens
광원은 중력 렌즈(이미지 중앙에 배치된 보이지 않는 점 질량) 뒤를 통과합니다.아쿠아 원은 렌즈가 없을 때 볼 수 있는 광원이고, 흰색 점은 소스의 다중 이미지입니다(아인슈타인 고리 참조).

중력렌즈는 멀리 있는 광원과 관찰자 사이에 빛이 관찰자를 향해 이동할 때 빛을 구부릴 수 있는 물질(은하군 등)의 분포입니다.이 효과는 중력 렌즈로 알려져 있고 휘어지는 양은 알버트 아인슈타인의 일반 상대성 [1][2]이론예측 중 하나이다.을 빛의 속도로 이동하는 소립체로 취급하면서, 뉴턴 물리학은 빛의 굴곡을 예측하지만,[3][4][5][6] 일반 상대성이론에 의해 예측된 것의 절반만 예측합니다.

아인슈타인이 1912년에 [7]이 주제에 대해 발표되지 않은 계산을 했지만, 오레스트 크볼슨(1924)과 [8]프란티섹 링크(1936)[9]는 일반적으로 그 효과를 출판물로 논의한 최초의 사람으로 여겨진다.하지만,[10] 이 효과는 1936년에 이 주제에 대한 기사를 발표한 아인슈타인과 더 흔히 연관되어 있다.

프리츠 츠비키는 1937년에 이 효과가 은하단이 중력렌즈 역할을 할 수 있게 해줄 것이라고 추측했다.1979년이 되어서야 트윈 QSO SBS 0957+561의 관측을 통해 이 효과가 확인되었습니다.

묘사

중력 렌즈 – 간섭하는 은하는 훨씬 뒤에 있는 은하의 외관을 변경합니다(비디오; 아티스트의 개념).
이 도식화된 이미지는 먼 은하에서 온 빛이 렌즈처럼 작용하고 먼 근원을 왜곡하지만 확대하여 아인슈타인 고리라고 알려진 빛의 특징적인 고리를 형성하는 전경 은하의 중력 효과에 의해 어떻게 왜곡되는지를 보여준다.
이 효과로 인한 SDP.81의 왜곡을 분석한 결과 별 모양의 물질 덩어리가 밝혀졌다.

광학 렌즈와 달리, 점 모양의 중력 렌즈는 중심에서 가장 가까운 곳을 통과하는 빛의 최대 편향과 중심에서 가장 멀리 이동하는 빛의 최소 편향을 생성합니다.따라서 중력렌즈는 단일 초점이 아니라 초점선을 가진다.O.J. Lodge는 "태양 중력장이 초점거리가 없기 때문에 렌즈처럼 작용한다고 말할 수 없다"[11]고 언급하면서 중력광 편향의 맥락에서 "렌즈"라는 용어를 처음 사용했다.(광원), 질량 렌즈 물체 및 관찰자가 일직선에 있으면 원래의 광원은 질량 렌즈 물체 주위에 링으로 나타납니다(렌즈가 원형 대칭인 경우).정렬 상태가 잘못된 경우 관찰자가 대신 호 세그먼트를 볼 수 있습니다.

이 현상은 1924년 세인트루이스에 의해 처음 언급되었다. 1936년 알버트 아인슈타인에 의해 계량화된 페테르부르크 물리학자 오레스트 흐볼슨.[12]Khvolson은 고리 이미지의 플럭스나 반지름에 대해 신경 쓰지 않았기 때문에 그것은 보통 문헌에서 아인슈타인 고리라고 언급된다.일반적으로 렌즈 질량이 복잡하고(은하군이나 은하단 등) 시공간 구면 왜곡을 일으키지 않는 경우, 광원은 렌즈 주위에 산재한 부분 호와 비슷합니다.그러면 관찰자는 동일한 소스의 여러 왜곡된 이미지를 볼 수 있습니다; 소스, 렌즈, 관찰자의 상대적인 위치, 렌즈 물체의 중력 우물 모양에 따라 이러한 숫자와 모양이 달라집니다.

중력 렌즈에는 [13][page needed][14]세 가지 종류가 있습니다.

강력한 렌즈
아인슈타인 링, 호, 다중 이미지 형성 등 눈에 잘 띄는 왜곡이 있는 경우"강하다"고 여겨지지만, 그 효과는 일반적으로 상대적으로 작아서 질량이 태양의 1,000억 배 이상인 은하도 몇 초 간격으로 여러 개의 이미지를 생성하게 됩니다.은하단은 몇 분 정도 떨어져 있을 수 있습니다.두 경우 모두 은하와 근원은 우리 은하에서 수백 메가파섹 떨어져 있습니다.
약한 렌즈
배경 소스의 왜곡이 훨씬 작고 통계적인 방법으로 다수의 소스를 분석하여 겨우 몇 %의 일관성 있는 왜곡을 발견해야만 검출할 수 있는 경우.렌즈는 렌즈의 중심에 대한 방향에 수직인 배경 물체의 바람직한 스트레칭으로 통계적으로 나타납니다.많은 수의 멀리 있는 은하의 모양과 방향을 측정함으로써, 그 방향의 평균을 구해서 어떤 영역에서든 렌즈장 전단을 측정할 수 있습니다.이것은 차례로 그 지역의 질량 분포를 재구성하는 데 사용될 수 있습니다. 특히, 암흑 물질의 배경 분포를 재구성할 수 있습니다.은하는 본질적으로 타원형이고 약한 중력 렌즈 신호가 작기 때문에 이러한 조사에 매우 많은 은하가 사용되어야 합니다.이러한 약한 렌즈 조사는 체계적 오류의 많은 중요한 원인을 주의 깊게 피해야 합니다: 은하의 본질적인 형태, 은하의 모양을 왜곡하는 카메라의 점 확산 기능의 경향, 이미지를 왜곡하는 대기의 관찰 경향을 이해하고 신중하게 설명해야 합니다.이러한 조사의 결과는 우주론적 모수 추정, 람다-CDM 모델의 이해 및 개선, 그리고 다른 우주론적 관측에 대한 일관성 검사를 제공하는 데 중요하다.그것들은 또한 미래에 암흑 에너지에 중요한 제약을 줄 수도 있다.
마이크로렌즈
형상의 왜곡은 보이지 않지만 배경 물체로부터 받는 빛의 양은 시간에 따라 변화합니다.렌즈 모양의 물체는 전형적인 경우 은하수의 별일 수 있으며 배경의 근원은 멀리 떨어진 은하의 별일 수도 있고, 더 멀리 떨어진 퀘이사일 수도 있습니다.극단적인 경우, 먼 은하에 있는 별은 마이크로렌즈 역할을 하고 훨씬 더 멀리 있는 다른 별을 확대할 수 있습니다.그 첫 번째 예는 MACS J1149 렌즈 별 1(이카루스라고도 함)로, 마이크로렌즈 효과로 인한 플럭스의 증가 덕분이었다.

중력 렌즈는 가시광선뿐만 아니라 모든 종류의 전자기 방사선과 중력파 같은 비전자파 방사선에 동일하게 작용합니다.은하계 조사뿐만 아니라 우주 마이크로파 배경에서도 약한 렌즈 효과가 연구되고 있습니다.강한 렌즈는 무선 및 X선에서도 관찰되었습니다.강력한 렌즈가 여러 이미지를 생성하는 경우 두 경로 사이에 상대적인 시간 지연이 발생합니다. 즉, 한 이미지에서 렌즈 대상 물체가 다른 이미지보다 먼저 관찰됩니다.

역사

1919년 일식 실험에 대한 에딩턴의 사진 중 하나로, 성공을 알리는 1920년 논문에 제시되었습니다.

1784년 헨리 카벤디쉬와 1801년 요한 게오르크 폰 솔드너는 뉴턴이 의 책 [16]옵틱스에서 1704년 아이작 뉴턴에 의해 이미 추정되었던 거대한[15] 물체 주위로 별빛이 휘어질 것이라고 뉴턴의 중력이 예측한다고 지적했다.솔드너와 같은 값은 1911년 아인슈타인에 의해 등가 원리로만 [13][page needed]계산되었다.그러나 아인슈타인은 1915년 일반상대성이론을 완성하는 과정에서 1911년 그의 결과(따라서 솔드너의 결과)가 정확한 값의 절반에 불과하다고 언급했다.아인슈타인은 빛의 [17]굴곡에 대한 정확한 값을 계산한 최초의 사람이 되었다.

광편향에 대한 첫 번째 관측은 별들이 천구의 태양 근처를 지날 때 위치 변화를 주목함으로써 수행되었다.이 관측은 1919년 아서 에딩턴, 프랭크 왓슨 다이슨, 그리고 그들의 협력자들에 의해 5월 [18]29일 개기일식 동안 수행되었다.일식은 태양 근처의 별들을 관찰할 수 있게 해 주었다.브라질 소브랄과 세아라와 아프리카 [19]서부 해안의 상투메와 프린시페에서 동시에 관측되었다.관측 결과 태양 근처를 지나는 별들의 빛이 약간 휘어져서 별들이 [20]약간 위치가 어긋난 것으로 나타났습니다.

먼 곳의 거대한 물체 주위에 빛을 굴절시킵니다.주황색 화살표는 배경 소스의 외관 위치를 나타냅니다.흰색 화살표는 소스의 실제 위치에서 빛의 경로를 나타냅니다.
아인슈타인의 십자가로 알려진 형태에서는, 강력한 중력 렌즈로 인해 같은 거리 퀘이사의 4개의 이미지가 전경 은하 주위에 나타난다.

그 결과는 화려한 뉴스로 여겨졌고 대부분의 주요 신문들의 1면을 장식했다.그것은 아인슈타인과 그의 일반 상대성 이론을 세계적으로 유명하게 만들었다.아인슈타인은 1919년 에딩턴과 다이슨에 의해 일반상대성이론이 확인되지 않았다면 어떤 반응을 보였겠느냐는 조수의 질문에 "그러면 나는 주님께 미안함을 느꼈을 것이다.어쨌든 [21]그 이론은 맞다.1912년 아인슈타인은 만약 빛이 질량 주위로 편향된다면 관찰자가 하나의 광원의 여러 이미지를 볼 수 있다고 추측했다.이 효과는 질량을 중력렌즈의 일종으로 작용하게 할 것이다.그러나, 그는 단지 하나의 별 주위의 편향의 영향만을 고려했기 때문에, 별과 관측자 사이의 필요한 정렬은 매우 불가능하기 때문에 예측 가능한 미래에는 이러한 현상이 관찰될 가능성이 낮다고 결론짓는 듯 보였다.몇몇 다른 물리학자들도 중력 렌즈에 대해 추측했지만,[10] 모두 관찰이 거의 불가능할 것이라는 같은 결론에 도달했다.

비록 아인슈타인이 이 [7]주제에 대해 발표되지 않은 계산을 했지만, 인쇄된 중력 렌즈에 대한 첫 번째 논의는 Khvolson에 의한 것으로, 근원, 렌즈, 그리고 관찰자가 현재 아인슈타인 고리라고 불리는 거의 완벽한 [8]일직선에 있을 때 중력의 "헤일로 효과"를 논하는 짧은 글에서였다.

1936년, 루디 W. 만들(Rudi W. Mandl)의 독촉이 있은 후,[10] 아인슈타인은 마지못해 "중력장에서의 빛의 편차에 의한 별의 렌즈 같은 작용"이라는 짧은 기사를 사이언스지에 발표했다.

1937년, 프리츠 츠비키는 새로 발견된 은하가 원천과 렌즈 역할을 할 수 있는 경우를 처음으로 고려했고, 관련된 질량과 크기 때문에 그 효과가 [22]관찰될 가능성이 훨씬 더 높았다.

1963년 Yu. G. Klimov, S. Libes, 그리고 Sjur Refsdal은 독립적으로 퀘이사가 중력 렌즈 [23]효과를 위한 이상적인 광원이라는 것을 알아냈습니다.

1979년이 되어서야 최초의 중력 렌즈가 발견되었다.그것은 처음에 두 개의 동일한 준성형 천체처럼 보였기 때문에 "쌍둥이 QSO"로 알려지게 되었다.(공식 명칭은 SBS 0957+561)이 중력렌즈는 데니스 월시, 밥 카즈웰, 레이 웨이먼이 키트 피크 국립 천문대 2.1m [24]망원경을 이용해 발견했다.

1980년대에 천문학자들은 CCD 영상기와 컴퓨터의 조합이 매일 밤 수백만 개의 별의 밝기를 측정할 수 있게 해준다는 것을 깨달았다.은하 중심이나 마젤란 구름과 같은 밀도가 높은 분야에서는 매년 많은 마이크로렌즈 현상들이 발견될 수 있습니다.이는 OGLE-2016-BLG-1190LbOGLE-2016-BLG-1195Lb를 포함한 수백 개의 이벤트를 특징짓는 OGLE(광학 중력 렌즈 실험)과 같은 노력으로 이어졌다.

시공간 곡률에 관한 설명

중력렌즈 시뮬레이션(배경 은하 앞을 지나는 블랙홀).

일반 상대성 이론에서, 빛은 시공간 곡률을 따르기 때문에, 빛이 거대한 물체 주위를 통과할 때, 그것은 휘어집니다.이것은 반대편에 있는 물체에서 나오는 빛이 일반 렌즈처럼 관찰자의 눈을 향해 휘어지는 것을 의미합니다.일반 상대성 이론에서 빛의 속도는 중력 전위(즉, 미터법)에 따라 달라지며, 이 굴곡은 빛의 속도가 구배를 따라 이동한 결과로 볼 수 있다.빛은 미래, 우주, 과거 지역 사이의 경계선이다.중력 인력은 배경 곡선 기하학에서 방해받지 않는 물체의 움직임으로 볼 수도 있고 평평한 기하학에서 에 대한 물체의 반응으로 볼 수도 있다.편향 각도는 다음과 같습니다.

영향을 받는 방사선과 거리 r의 질량 M을 향한다. 여기서 G는 만유인력상수이고 c는 진공에서의 빛의 속도이다.

슈바르츠실트 s{\ r 2 {\}}= {2 Gm} / { 정의되며, 이스케이프 / {로 정의됩니다 이것은 다음과 같이 간단한 형식으로도 표현할 수 있습니다.

중력렌즈 검색

NASA/ESA 허블 우주 망원경의 이 이미지는 은하단 MACS J1206을 보여줍니다.

과거의 중력렌즈는 대부분 우연히 발견되었다.뉴멕시코의 VLA(Very Large Array)를 사용하여 무선 주파수로 수행된 북반구 중력렌즈(Cosmic Lens All Sky Survey, CLASS)에 대한 탐색은 주요 이정표인 22개의 새로운 렌즈 시스템을 발견하게 되었습니다.이것은 우리가 우주를 더 잘 이해할 수 있도록 매우 멀리 있는 물체를 찾는 것에서부터 우주론적 매개변수에 대한 가치를 찾는 것까지 연구를 위한 완전히 새로운 길을 열어주었다.

남반구에서 이와 비슷한 연구를 하는 것은 북반구 탐사를 보완하고 연구를 위한 다른 목표를 얻는 데 매우 좋은 단계가 될 것이다.이러한 검색은 잘 보정되고 잘 매개 변수화된 계측기와 데이터를 사용하여 수행된다면 북부 조사와 유사한 결과를 기대할 수 있다.ATCA(Australia Telescope Compact Array)를 사용하여 수집된 호주 망원경 20GHz(AT20G) 조사 데이터를 사용하는 것은 그러한 데이터 수집이다.매우 엄격한 데이터 품질을 유지하는 동일한 도구를 사용하여 데이터를 수집했으므로 검색에서 좋은 결과를 얻을 수 있을 것으로 예상됩니다.AT20G 조사는 전자기 스펙트럼의 무선 영역에서 20GHz 주파수에서 블라인드 조사입니다.사용된 높은 주파수 때문에, 중력 렌즈를 찾을 확률은 소형 코어 물체(예: 퀘이사)의 상대적 수가 높을수록 증가한다(Sadler 등 2006).이것은 렌즈가 복잡한 물체에 비해 단순한 물체에서 탐지 및 식별하기 쉽기 때문에 중요합니다.이 검색에는 간섭계 방법을 사용하여 후보를 식별하고 더 높은 분해능으로 추적하여 후보를 식별합니다.그 프로젝트의 상세한 내용은 현재 출판을 위해 작업 중이다.

은하단 SDSS J0915+3826은 천문학자들이 [25]은하에서 별의 형성을 연구하는 데 도움을 줍니다.

마이크로렌즈 기술은 태양계 밖의 행성을 찾기 위해 사용되어 왔다.2002년부터 2007년까지 관찰된 미세렌즈 특정 사례에 대한 통계 분석 결과, 우리은하의 대부분의 별들은 0.5~10AU 이내의 [26]궤도를 도는 행성을 하나 이상 거느리고 있는 것으로 나타났습니다.

2009년, [27]약한 중력 렌즈는 먼 은하에 대한 측정을 개선하기 위해 이전에 가능했던 것보다 더 오래되고 작은 구조물에 질량-X선-광도 관계를 확장하기 위해 사용되었습니다.

2013년 현재, 가장 먼 중력 렌즈 은하인 J1000+0221NASA의 허블 [28][29]우주 망원경을 사용하여 발견되었다.지금까지 알려진 것 중 가장 먼 4상 렌즈 은하로 남아 있지만, 더 먼 2상 렌즈 은하가 허블 우주 망원경과 망원경의 영상 및 분광학을 조합한 천문학자들로 구성된 국제 팀에 의해 그 후에 발견되었다.IRC 0218 렌즈의 발견과 분석은 2014년 [30]6월 23일자 천체물리학 저널 레터에 실렸다.

캐나다 퀘벡주 몬트리올있는 맥길대가 이끄는 피지컬 리뷰 레터스 온라인판에 2013년 9월 30일 게재된 연구는 국립과학재단의 남극망원경과 허셜우주관측소의 도움을 받아 중력렌즈 효과로 형성된 B-모드를 발견했다.이 발견은 우리 우주가 어떻게 [31][32]생겨났는지에 대한 이론을 실험할 수 있는 가능성을 열어줄 것이다.

Abell 2744 은하단 - 중력 렌즈에 의해 밝혀진 매우 먼 은하(2014년 [33][34]10월 16일).

태양 중력 렌즈

알버트 아인슈타인은 1936년 태양의 가장자리를 감싸는 같은 방향의 광선이 [35]태양으로부터 약 542AU 떨어진 초점으로 수렴할 것이라고 예측했다.따라서, 태양으로부터 이 거리(또는 그 이상)에 위치한 탐사선은 태양 [36]반대편에 있는 먼 물체를 확대하기 위한 중력 렌즈로 태양을 사용할 수 있습니다.탐사선의 위치는 태양에 상대적인 다른 목표물을 선택하기 위해 필요에 따라 이동할 수 있습니다.

이 거리는 보이저 1호와 같은 우주 탐사선의 진보와 장비 능력, 그리고 알려진 행성과 왜소 행성들을 훨씬 넘어섰지만, 90377년 세드나는 그것의 매우 타원형 궤도에서 더 멀리 움직일 것이다.21cm 수소 라인의 마이크로파 등 이 렌즈를 통해 신호를 검출할 수 있는 높은 이득은 SETI 초기 프랭크 드레이크에 의해 프로브를 이 거리까지 보낼 수 있다는 제안을 이끌어냈다.다목적 프로브 SETISAIL과 이후 FOCAL은 1993년에 ESA에 제안되었지만, 어려운 작업이 [37]될 것으로 예상된다.만약 탐사선이 542AU를 통과한다면, 더 먼 거리에서 초점이 맞춰지는 광선이 태양의 [38]코로나 왜곡으로부터 더 멀리 지나가기 때문에 렌즈의 확대 기능은 더 먼 거리에서 계속 작용하게 됩니다.이 개념에 대한 비판은 랜디스에 [39]의해 이루어졌으며, 랜디스는 태양 코로나 간섭, 임무 초점면 설계를 어렵게 만드는 목표물의 높은 배율, 그리고 렌즈의 고유 구면 수차에 대한 분석을 논의했다.

2020년, NASA의 물리학자 Slava Turyshev는 태양 중력 렌즈 미션을 통해 직접 다화소 이미징과 외계행성의 분광학에 대한 아이디어를 발표했다.이 렌즈는 표면의 특징과 거주가능성의 [40]징후를 볼 수 있을 만큼 25km의 표면 해상도로 외계 행성 이미지를 재구성할 수 있다.

약한 렌즈 측정

갤럭시 클러스터 MACS J2129-0741 및 렌즈 포함 MACS2129-1.[41]

Kaiser, Squires and Broadhurst(1995년),[42] Luppino & Kaiser([43]1997년) 및 Hoekstra 등(1998년)은 점확산함수(PSF) 스미어링 및 전단효과를 반전시켜 PSF의 체계적인 왜곡에 의해 오염되지 않은 전단추정기를 회복하는 방법을 규정했다.이 방법(KSB+)은 약한 렌즈 전단 [44][45]측정에 가장 널리 사용되는 방법입니다.

은하는 불규칙한 회전과 기울기를 가지고 있습니다.그 결과, 약렌즈에서의 전단 효과는 통계적으로 선호하는 방향에 의해 결정될 필요가 있다.렌즈 측정 오류의 주요 원인은 PSF와 렌즈 이미지가 합성되었기 때문입니다.KSB 방법은 은하 이미지의 타원율을 측정합니다.전단은 타원율에 비례합니다.렌즈 영상의 물체는 가중 4극 모멘트에 따라 파라미터화됩니다.완벽한 타원을 위해 가중된 4극 모멘트는 가중된 타원에 관련된다.KSB는 가중타원성 측정과 전단과의 관련성을 계산하여 동일한 형식주의를 사용하여 [46]PSF의 영향을 제거한다.

KSB의 주요 장점은 수학적 용이성과 비교적 간단한 구현입니다.단, KSB는 PSF가 이방성 왜곡을 수반하는 원형이라는 주요 가정에 기초하고 있습니다.이는 우주 전단 조사를 위한 합리적인 가정이지만, 차세대 조사(: LSST)는 KSB가 제공할 수 있는 것보다 훨씬 더 나은 정확성을 필요로 할 수 있다.

갤러리

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역사 논문 및 참고 자료

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레퍼런스

메모들
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참고 문헌
추가 정보

외부 링크