중력 렌즈 이해: 질량과 에너지가 공간시간을 휘게 만드는 방법

중력 렌즈는 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 유도된 개념으로, 물질과 에너지가 공간시간을 휘게 만드는 것을 보여줍니다. 공간시간을 평평한 시트로 보는 대신 이 애니메이션은 질량과 에너지의 존재와 특성이 3차원 공간 자체를 휘게 만든다는 것을 보여줍니다. 여러 질량이 서로를 공전할 때 중력파가 방출되고, 왜곡된 공간시간을 통과하는 빛은 휘게 굽혀지고, 늘어나고, 확대될 수 있습니다.

양질량이 한 위치에 모여 있을 때, 공간은 심하게 왜곡됩니다. 이 왜곡은 배경 은하의 빛이 중심에 있는 거대한 은하 집단에 의해 휘게 굽혀지고, 늘어나고, 확대되는 강한 렌즈링을 초래합니다. 이러한 중력 렌즈 시스템은 아인슈타인의 이론에 대한 소중한 통찰력을 제공합니다.

중력 렌즈는 빛이 왜곡된 공간시간의 영역을 통과할 때 발생합니다. 가장 중요한 예는 먼 은하가 개입하는 은하로 가득한 클러스터에 의해 렌즈 처리될 때로, 이로 인해 서로 다른 광속 시간을 가진 세 개의 독립적인 이미지가 생성됩니다. 중력 렌즈는 관측하기에 너무 희미한 은하를 드러낼 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

광학 렌즈와 유사하게, 중력 렌즈는 중력으로 작동합니다. 제임스 웹 우주 망원경(JWST)을 사용하여이론된 가장 먼 붉은 거성인 Quyllur는 100억 광년 이상 떨어진 곳에 위치하고 있습니다. 이 별의 가시성은 JWST의 독특한 능력과 El Gordo 클러스터에서 제공하는 중력 렌즈링 확대로 가능해졌습니다.

관측자, 렌즈, 배경 물체가 완벽하게 정렬되면 놀라운 특징이 나타납니다. 중력 렌즈링은 배경 은하와 빛의 경로가 개입하는 질량에 의해 왜곡되는 것을 보여줍니다. 이 현상은 전경 질량이 공간 자체를 굴곡시키고 왜곡시킨다는 것도 보여줍니다. 완벽한 정렬은 여러 세트의 이미지 또는 “아인슈타인 링”조차도 가능합니다. 이미지 간의 시간 지연은 배경 은하에서 초신성과 같은 일시적인 사건이 발생할 경우 발생할 수 있습니다.

중력 렌즈는 아치, 다중 이미지 및 완전한 링의 형성을 가능하게 합니다. 예를 들어, Fishhook 은하는 El Gordo 클러스터에 의해 렌즈 처리되어 독특한 모습을 갖고 있습니다. 은하 군집은 일반적으로 큰 질량으로 인해 중력 렌즈로서 가장 좋습니다. 그러나 충분히 질량이 크고 올바르게 정렬된 개별 소형 은하들도 렌즈로 작용할 수 있습니다.

이른 시절의 우주에서는 대형 밀집 은하가 더 흔했습니다. JWST는 이전의 망원경을 뛰어넘어, 발견된 가장 먼 은하를 관측하는 능력을 제공하고 있습니다. 소형 은하들은 더 먼 거리에서 흔하게 발견되며, 더 확산된 은하들은 우리에게 더 가까이 있습니다.

JWST에 의해 발견된 먼 대형 소형 은하는 중력 렌즈로 작동하는 것으로 관찰되었습니다. 이 시스템은 170억 광년 떨어진 곳에 위치한 소형 중력광반응성 은하원과 210억 광년 떨어진 더 먼 은하에 대한 렌즈로 작동합니다. 배경 은하로부터 나오는 빛은 고리 모양으로 늘어납니다.

이러한 놀라운 관측 결과와 발견은 중력 렌즈링과 물질, 에너지, 공간시간의 복잡한 상호작용에 대한 우리의 지식을 확장시킵니다.

원문 출처:
LucasVB, ESA, NASA, K. Sharon (Tel Aviv University), E. Ofek (Caltech), NASA & ESA, J.M. Diego et al. (PEARLS collaboration), A&A, 2023, NASA, ESA & L. Calçada, NASA, ESA, CSA, STScI, Jose M. Diego (IFCA), Brenda Frye (University of Arizona), Patrick Kamieneski (ASU), Tim Carleton (ASU), Rogier Windhorst (ASU), ESA/Hubble & NASA, Frank Summers (STScI), Greg Bacon (STScI), Joseph DePasquale (STScI), Leah Hustak (STScI), Joseph Olmsted (STScI), Alyssa Pagan (STScI), Steve Finkelstein (UT Austin), Rebecca Larson (RIT), Micaela Bagley (UT Austin), P. van Dokkum et al., Nature Astronomy accepted, 2023.