아인슈타인고리

아인슈타인고리(아인슈타인반지, Einstein ring)란 중력렌즈에 의해 만들어지는 고리(ring) 모양 상(image)을 말한다. 그림 1에서처럼 관측자가 볼 때 광원 S와 렌즈 L이 정확하게 일직선 상에 위치하게 되면 유한한 크기를 가진 광원 S는 중력렌즈되어 고리 모양의 상으로 보이게 된다. 아인슈타인고리의 각반경 @@NAMATH_INLINE@@ \theta_E @@NAMATH_INLINE@@는 점질량 렌즈의 경우

@@NAMATH_DISPLAY@@ \theta_E = \sqrt{ \frac{4GM}{c^2} \frac{D_{ls}}{D_l D_s} } @@NAMATH_DISPLAY@@

로 표시된다. 여기서 @@NAMATH_INLINE@@c@@NAMATH_INLINE@@는 빛의 속도, @@NAMATH_INLINE@@G@@NAMATH_INLINE@@는 중력상수, @@NAMATH_INLINE@@M@@NAMATH_INLINE@@은 렌즈의 질량, @@NAMATH_INLINE@@D_{l}@@NAMATH_INLINE@@은 관측자-렌즈 거리(정확하게는 각직경거리), @@NAMATH_INLINE@@D_s@@NAMATH_INLINE@@는 관측자-광원 거리, @@NAMATH_INLINE@@D_{ls}@@NAMATH_INLINE@@는 렌즈-광원 거리이다. 따라서 렌즈의 질량이 클수록 더 큰 아인슈타인고리가 만들어진다.

그림 1. 광원 S가 렌즈 L에 의해 중력렌즈 될 때 광원과 렌즈가 정확하게 일직선 상에 놓일 경우 고리 모양의 상이 생기게 된다.(출처: 박명구/천문학회)

목차

1936년 아마추어 과학자였던 맨들(Rudi W. Mandl)의 제안으로 아인슈타인(Albert Einstein)은 별과 별 사이에서 일어날 수 있는 중력렌즈 현상을 연구하였다(미시중력렌즈 참고). 이 연구에서 아인슈타인은 광원별과 렌즈별이 정확하게 일직선에 놓일 경우 중력렌즈된 상은 고리 모양이 된다고 설명하였다(그림 2 참조). 하지만 이 고리의 각크기가 너무 작고 일어날 확률도 너무 작아서 관측할 수는 없다고 예측하였다. 광원의 각크기가 클수록, 중력렌즈 작용하는 천체의 질량이 클수록 관측하기 쉬운 아인슈타인고리가 생기므로 별과 별 사이 중력렌즈보다는 은하와 은하 사이 중력렌즈에 의해 관측 가능한 아인슈타인고리가 생길 확률이 커진다.

40여 년이 지난 1979년 별과 별 사이 중력렌즈 대신 아주 멀리 있는 퀘이사가 전방에 위치한 은하에 의해 중력렌즈되어 두 개의 상으로 보이는 다상중력렌즈퀘이사(multiple-image gravitationally lensed quasar) Q0957+561이 최초로 발견되었으나 퀘이사는 각크기가 아주 작은 광원이어서 렌즈된 상이 변형된 모습은 관측 불가능했다. 이 후 퀘이사와 달리 어느 정도의 각크기를 가진 은하들이 은하단에 의해 중력렌즈되어 호(arc)의 모양으로 길게 중력렌즈된 밝은호(luminous arc)들이 발견되다가 마침내 휴잇(Jacqueline Hewitt) 등이 전파망원경 VLA(Very Large Array)로 직경이 2 각초 정도인 고리모양 전파원 MG1131+0456을 발견하였다(그림 3). 광학 천체와 달리 이 전파원은 분광선이 없어서 적색이동값을 확인할 수는 없었지만 상의 모양과 렌즈 작용을 한 은하 관측, 중력렌즈 모형 계산 등으로 이 전파고리(radio ring)는 중력렌즈되어 생긴 아인슈타인고리인 것으로 판정되었다. 이후 허블우주망원경 등의 적외선 및 가시광선 관측으로 더 많은 수의 아인슈타인고리들이 발견되었다(그림 4). 아인슈타인고리의 크기와 모양을 연구하면 광원의 특성과 중력렌즈 작용을 하는 은하나 은하단의 질량 분포, 우주론 등에 대한 정보들을 알아낼 수 있다.

그림 3. 최초로 발견된 전파 아인슈타인고리(출처: )

그림 4. 허블우주망원경으로 촬영된 아인슈타인고리들. 가운데 노란 색의 무거운 은하에 의해 더 멀리 있는 푸른 은하들이 고리 모양으로 변형되어 보인다.(그림 NASA/ESA/A. Bolton/SLACS Team,(출처: )