강한 중력렌즈 효과

강한 중력렌즈 효과(Strong gravitational lensing)는 아인슈타인 고리처럼 여러 상을 만들 수 있을 정도로 충분히 강한 중력렌즈 효과이다. 강한 중력렌즈 효과가 일어나려면 렌즈 역할을 하는 천체의 질량 밀도가 임계밀도 ${\displaystyle \Sigma _{cr}}$보다 커야 한다. 이 효과로 나타나는 상은 뒤의 천체가 점 모양이면 여러 개로, 면적을 가졌으면 호나 고리 모양으로 보인다. 상의 형성은 홀수 정리를 따른다.^[1]

강한 중력렌즈 효과는 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성이론에서 예측하였으며, 1979년 데니스 왈시, 밥 칼스웰, 레이 웨이먼이 이중준성이라고 불리는 천체가 사실은 같은 천체가 상 2개로 나타나는 것임을 밝혀내며 참으로 밝혀졌다.^[2]

관측

강한 중력렌즈 효과 대부분은 은하단 규모의 광범위 관측에서 나타난다.

은하 중력렌즈

광원이 중력렌즈(가운데의 점)를 통과하는 모습. 옅은 원은 중력렌즈 효과가 없었을 경우 관측 예상도, 하얀색 모양은 중력렌즈 효과로 인해 나타나는 상의 모습이다.

렌즈 역할을 하는 앞쪽 천체가 은하인 경우이다. 뒤 배경 천체가 퀘이사나 제트가 크지 않은 천체인 경우 상은 점 모양으로, 뒤 배경 천체가 은하이거나 제트가 발달한 천체인 경우 호나 고리 모양이 된다. 2017년 기준^[update], 은하와 은하 사이의 중력렌즈 효과가 나타나는 사례는 수백 건 이상이 관측되었으며,^[3] LSST와 유클리드 망원경을 통해서는 10만 개 이상을 새로 발견하리라고 기대되고 있다.^[4]

은하단 중력렌즈

앞쪽 천체가 은하단인 경우로, 보통 강한 중력렌즈 효과(상의 분산)와 약한 중력렌즈 효과(상의 교란)가 같이 나타난다. 대표적인 예시는 흔히 '녹은 고리'라고 불리는 은하단 GAL-CLUS-022058s이 있다.^[5]

천체물리학적 이용

질량 측정

중력렌즈 효과는 중력 퍼텐셜의 영향만 받기 때문에, 이를 이용해 렌즈 역할을 하는 천체의 질량을 결정할 수 있다. 구체적으로는, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 실제로 나타나는 상의 모습을 제일 잘 재현하는 경우를 질량으로 간주한다. 현재 학계에서는 이를 이용해 은하 중심의 질량 분포와 암흑물질 헤일로 연구를 진행하고 있다.^[6]

시간 지연

빛이 여러 상을 만들 때 지나는 경로도 여럿이 되므로, 각 경로에 따라 중력 퍼텐셜이 달라 시간이 지연되는 정도가 다르다. 여기서 천체의 질량과 물리 우주론에 따라 시간 지연의 정도가 달라지기 때문에, 허블 상수 등 우주론에서 등장하는 수치를 측정할 수 있다.^[7]

사진

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  중력렌즈 효과가 나타나는 은하단 SDSS J0928+2031.^[8]
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  허블 우주망원경이 촬영한 은하단 SDSS J1138+2754.^[9]
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  허블 우주망원경이 촬영한 은하단 GAL-CLUS-022058s으로, 흔히 '녹은 고리'라고 부른다.^[10]