중력 렌즈

질량이 빛을 고리, 십자, 호로 휘게 하고 보이지 않는 것을 무게 달게 해 주는 방식

단계별로

질량은 빛을 휘게 한다

태양의 경우 휘어짐은 아주 작습니다. 하지만 은하 전체나 은하단이라면 눈에 보일 만큼 큽니다. 질량은 고르지 않은 렌즈처럼 작용하고, 그 뒤 아주 먼 것에서 온 빛은 한 방향 이상에서 우리에게 닿을 수 있습니다. 여기서 어두운 점은 렌즈(그림)이고, 그 뒤의 은하는 두 번 보입니다.

일직선으로 맞추기

뒤쪽 은하가 렌즈와 일직선이 되어 감에 따라 그 두 상은 렌즈 둘레를 돌고, 늘어나고 밝아지다가 하나의 고리로 이어집니다.

렌즈 방정식은 빛이 어디에서 오는 것처럼 보이는지를 알려 줍니다. 광원이 선에서 조금 벗어나 있으면 상이 두 개 생깁니다. 렌즈 양쪽에 하나씩, 먼 쪽에 긴 호, 가까운 쪽에 짧은 호입니다. 일직선에 가까울수록 상은 더 늘어나고 더 밝아집니다.

완벽하게 일직선이 되면 두 상은 완전한 원, 아인슈타인 고리가 됩니다. 그 반지름인 아인슈타인 반지름은 렌즈 질량의 제곱근에 따라 커집니다. 직접 해 볼 수 있습니다. 그림을 끌면 뒤쪽 은하가 렌즈를 가로질러 밀려가고, 상이 그것을 따라갑니다.

아인슈타인 십자가

각각의 상은 따로 밝아졌다 어두워집니다. 렌즈 은하 속의 개별 별들이 그 앞을 지나며 다시 렌즈 효과를 일으키기 때문입니다. 천문학자들은 이 깜박임을 이용해 퀘이사의 원반, 폭이 겨우 광일이고 어떤 망원경으로도 직접 볼 수 없는 영역을 연구합니다.

암흑 물질의 무게 달기

클로의 팀은 2006년에 이를 연구했습니다. 분홍색 빛은 X선으로 보이는 뜨거운 기체로, 보통 물질의 대부분을 담고 있습니다. 파란색은 렌즈 효과가 찾은 질량입니다. 둘 다 측정된 곳에 그렸습니다. 질량은 기체가 있는 곳에 있지 않습니다.

기체는 충돌로 느려집니다. 두 연기 구름처럼요. 질량은 마치 자기 자신을 통과하는 무언가처럼 은하와 함께 계속 움직였습니다. 이것은 물질의 대부분이 어둡고 거의 상호작용하지 않는다는 가장 좋은 증거 중 하나이며, 중력만 바꾸어서는 설명하기 어렵습니다.

시간을 가로질러 보이는 별

2022년 웰치의 팀은 적색편이 6.2인 은하에서 은하단이 늘려 놓은 호, 선라이즈 아크 속에서 에아렌델을 찾았습니다. 렌즈가 가장 강한 선 바로 위에서는 확대율이 수백에서 수천에 이르러, 다른 곳에서는 어떤 별도 보이지 않을 거리에서 하나의 별을 보여 주기에 충분합니다.

렌즈 효과는 자연 자체의 망원경이며, 제임스 웹 우주망원경은 가장 깊은 영상을 위해 은하단을 이렇게 이용합니다. 에아렌델이 하나의 별인지 몇 개인지는 아직 연구 중입니다. 그림이 보여 주는 것은 발견된 호 위에 그린 빛의 점입니다.