중력 렌즈 효과

[Gravitational Lens]

1. 아인슈타인이 '중력 렌즈 효과'라는 아이디어를 떠올렸다.

   우주를 탐사하는 강력한 수단 중에는 '중력 렌즈(Gravitational Lens)'와 '아인슈타인의 고리'라는 것도 있다. '중력렌즈' 현상은 중력렌즈란 질량을 가진 천체가 근처 시공간을 휘게 하여 렌즈와 같은 역할을 하는 현상이다. 1801년에 베를린의 천문학자 '요한 게오르그 폰 솔드너(Johan Georg von Soldner)'가 태양의 중력에 의해 별빛이 구부러지는 정도를 처음으로 계산하였다.

   일반 상대성이론이 완성되기 전인 1912년에 아인슈타인은 중력에 의해 빛이 휘어지는 현상을 일종의 '렌즈 효과(빛이 가공된 유리면을 통과하면서 궤적이 변하는 일반적인 현상)'로 이해한다는 아이디어를 떠올렸다. 그 후 1936년에 체코의 공학자 '루디 맨들(Rudi Mandl)'은 아인슈타인에게 보내는 편지에서 '중력렌즈'가 근처에 있는 별에서 방출된 빛을 확대할 수 있는지를 물었고, 아인슈타인의 답은 'yes'였다. 그러나 당시의 관측기술로는 그의 대답을 검증할 수 없었다.

   아인슈타인은 빛이 중력렌즈를 통과할 때, 일반적인 광학기계처럼 영상이 2개로 보이거나 '원형 수차'가 나타날 수도 있다고 생각했다. 예컨대, 멀리 있는 은하에서 방출된 빛이 태양의 좌-우를 지난 후 한데 합쳐져서 우리의 눈에 들어올 수도 있다. 즉, 은하가 '고리(ring)' 모양으로 보이는 것은 일반상대성이론 때문에 나타나는 일종의 '광학적 환영'일 수도 있다는 것이다. 그러나 아인슈타인은 이 현상이 직접 관측될 가능성은 거의 없다고 지적하면서 "물리적으로 그다지 큰 가치는 없지만 무료한 물리학자들에게는 기쁜 소식"이라고 평했다.

2. '중력 렌즈 효과'가 관측되었다.

   그로부터 다시 40년이 지난 1979년에, 영국 '조드럴 뱅킄 천문대(JBO: Jodrell Bank Observatory)'의 연구원이자 이중 퀘이사 Q0957+561을 발견한 '데니스 월시(Dennis Walsh)'가 중력 렌즈 효과의 부분적인 증거를 발견했고, 1988년에는 MG1131+0456이 방출한 라디오파에서 '아인슈타인 고리(Einstein Ring)' 효과가 처음으로 관측되었다. 그리고 1997년에는 '허블 우주 망원경(Hubble Space Telescope)'과 영국의 '메를린 전파 망원경(MERILIN Radio Telecope)'이 1938+666은하에서 '아인슈타인 고리'를 발견함으로써, 일반상대성이론의 타당성을 재확인하였다. 이때 발견된 링의 규모는 3km 거리에서 바라본 1페니 짜리 동전의 크기와 비슷했다. 이 역사적인 사건을 접한 맨체스터 대학의 '이언 브라운(Ian Brown)'은 다음과 같이 말했다. "그 영상을 처음 봤을 때는 무언가 다른 광학적 요인에 의해 왜곡된 것처럼 보였다. 그러나 우리가 본 것은 분명히 아인슈타인 고리였다!"

   오늘날 '아인슈타인 고리(Einstein Ring)'는 천체물리학자들이 보유하고 있는 가장 강력한 무기이다. 평균적으로, 지금까지 관측된 퀘이사의 500개 중 하나는 아인슈타인의 '중력 렌즈 효과'를 증명해 주고 있다.


3. '중력 렌즈 효과'로 우주를 탐사한다.

3-1. '중력 렌즈 효과'를 이용해 암흑물질도 관측할 수 있다.
   중력에 의해 빛이 왜곡되는 현상을 적절히 이용하면 '암흑물질(Dark Matter)'과 같이 눈에 보이지 않는 물체도 관측할 수 있다. 우주 전역에 대한 '암흑물질 분포 지도'는 이 방법을 통해 만들어진 것이다 '중력 렌즈 효과'는 은하의 중심부를 거대한 '원호(Arc)' 모양으로 왜곡시키기 때문에, 왜곡된 정도로부터 중심부에 분포되어 있는 암흑물질의 양을 계산할 수 있다. 이 현상은 1986년에 미국 스탠퍼드 대학의 '광학 천문대(National Optical Astronomy Observatory)'와 프랑스의 '미디피레네 천문대(Midi-Pyrenees Observatory)'에 의해 최초로 발견되었으며, 그 후로 이와 유사한 현상이 계속 관측되어 천문학자들을 흥분시키고 있다. 이들 중 가장 극적인 발견 가운데 하나로는 '아벨 2218(Abell 2218)'은하를 꼽을 수 있다.

3-2. '중력 렌즈 효과'를 이용해 MACHO의 총량을 알아낸다.
    '마초(MACHO)'는 Massive astrophysical compat halo object의 약자로 은하의 '헤일로(Halo)'에 존재하는 어두운 별, 갈색왜성, 행성, 중성자 별, 블랙홀 등 천문학적으로 관측하기 어려운 '밀집(compact)' 천체를 말한다. 또 다른 종류의 '암흑물질' 후보인 '윔프(WIMP: Weakly interacting massive particle)'라고 불리는 소립자들과 대비되는 천문학적 천체들을 지칭하기 위해 천문학자 '그라 이스트(Kim Griest)'가 처음 이 이름을 사용했다고 알려져 있다.

   아인슈타인의 중력 렌즈 효과는 '마초(MACHO)'의 총량을 알아내는 또 하나의 방법으로 이용될 수 있다. 1986년에 프리스턴 대학의 '보던 패친스키(Bohdan Paczynski, 1940~2007)'는 별 근처를 지나가는 MACHO가 별의 밝기를 강조하여 광학적 2차 영상을 만들어낸다는 사실을 확인하였다.

3-3. '중력 렌즈 효과'를 이용해 '허블상수'와 '우주상수'를 측정한다.
    '중력 렌즈 효과'는 '허블상수(Hubble Constant)'와 '우주상수(Cosmological constant)''를 측정하는 데에도 이용될 수 있다.

    '허블상수(Hubble Constant)'는 우주의 팽창 속도와 관련된 상수이다. '퀘이사(Quasar)'는 밝기가 수시로 변하는 천체인데, 하나의 퀘이사가 두 개의 영상으로 나타나는 이중 퀘이사의 경우, 두 천체의 밝기가 동일한 패턴으로 변할 것 같지만 실제로 관측해 보면 그렇지 않다. 그 일대의 물질 분포상태를 알고 있다면, 쌍둥이 퀘이사의 밝기가 변하는 시간차로부터 퀘이사까지의 거리를 계산할 수 있으며, 이 빛이 적색편이를 일으키는 정도를 관측하면, '허블상수'까지 알아낼 수 있다.

   우주의 미래를 결정하는 '우주상수(Cosmological constant)'도 이 방법으로 이 방법으로 구할 수 있다. 그다지 우아한 계산법은 아니지만, 다른 방법으로 구한 우주상수와 잘 일치한다. 수십억 년 전에 우주의 부피는 지금보다 작았으므로, 중력 렌즈 효과를 일으키는 퀘이사는 지금보다 찾기가 쉬웠을 것이다. 따라서 각 시간대에 존재했던 이중 퀘이사의 개수를 알아내면, 우주의 부피와 우주상수의 대략적인 값을 계산할 수 있다. 1998년에 '하버드-스미스소니언 천체 물리연구소(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)'의 천문학자들은 이 방법으로 우주상수를 계산했는데, 그 값에 포함된 물질과 에너지는 우주 전체의 62%에 불과하다고 결론지었다. (WAMP가 관측한 값은 약 73%였다.)

[Gravitational Lens]

중력렌즈 현상은 중력의 영향으로 빛이 휘는 현상을 말한다. 멀리서 오는 별빛이 질량이 있는 물체 주변을 지나면 중력의 영향으로 휘어져 들어오면서 지구에 있는 관찰자의 입장에서는 먼 별의 위치가 바뀐 것처럼 보인다. 때에 따라서는 멀리 있는 물체가 더 밝아 보이는 현상도 생긴다. 마치 렌즈를 통과하는 빛의 경우와 비슷해서 이런 현상에 ‘중력렌즈’라는 이름이 붙었다. 영화 ‘인터스텔라’의 한 장면에서도 묘사된 적이 있다.