아인슈타인의 상대성 이론은 빛의 경로가 중력에 의해 변할 수 있음을 의미합니다. 이는 다양한 관측을 통해서 확인되고 있는데, 그 중에서 멀리 떨어진 천체를 관측하는 천문학자들에게 중요한 것은 바로 중력 렌즈(Gravitational Lens) 효과입니다. 은하나 은하단이 가진 중력 때문에 빛의 경로가 휘게 되면 마치 렌즈 같은 효과를 나타냅니다. 이는 고리 모양으로 나타날 수도 있고 십자가 모양으로 보일 수도 있는데 각각 아인슈타인 링과 아인슈타인 십자가로 불립니다.
최근 허블 우주 망원경은 거대 질량을 가진 은하단에 의해 형성된 아인슈타인 십자가를 발견했습니다. 이는 멀리 떨어진 초신성이 4개의 이미지로 분리된 것으로 십자가 보다는 앙증맞은 별의 이미지처럼 보입니다. (아래 사진)
(사각형 안쪽에 작은 네개의 점이 중력 렌즈로 인해 나타난 네 개의 초신성 이미지. The many red galaxies in this Hubble Space Telescope image are members of the massive MACS J1149.6+2223 cluster, which strongly bends and magnifies the light of galaxies behind it. A large cluster galaxy (center of the box) has split the magnified light from an exploding background supernova into four yellow images (arrows), which form an Einstein Cross. Credit: Image courtesy of Z. Levay at NASA's Space Telescope Science Institute and ESA. Patrick Kelly and Alex Filippenko at UC Berkeley contributed to the discovery and analysis. )
이를 발견한 캘리포니아 대학의 패트릭 켈리 (UC Berkeley postdoctoral scholar Patrick Kelly)는 글라스(Grism Lens-Amplified Survey from Space (GLASS)) 팀의 일원으로 캘리포니아 대학의 알렉스 필리펜코 교수(Alex Filippenko, UC Berkeley professor of astronomy)와 함께 이 초신성의 이미지를 보고했습니다. 그에 의하면 퀘이사의 경우 아인슈타인 십자가가 많이 확인되었으나 초신성은 이번 발견이 처음이라고 하네요.
이번에 발견된 초신성은 중력 렌즈 관측의 선구자인 노르웨이의 천문학자 Sjur Refsdal의 이름을 따서 SN Refsdal라고 명명되었습니다. 그리고 렌즈 역할을 한 은하단은 MACS J1149.6+2223이라고 합니다. 각각 적색 편이가 Z=1.5/0.5 인 천체들입니다. 초신성의 위치는 지구에서 대략 93억년 정도입니다.
한 가지 더 흥미로운 사실은 이 중력렌즈 효과가 천문학자들에게 리플레이(replay) 기능을 제공한다는 것입니다. 그 이유는 빛이 굴절되면서 더 먼거리를 돌아오기 때문입니다. 연구자들에 의하면 그 시차는 약 10년 정도라고 합니다. 즉 10년전에 발견 못한 초신성의 빛이 중력 렌즈에 의해 휘어지면서 지구에서 관측이 가능해 진다는 것이죠.
(중력 렌즈에 의한 빛의 굴절. The light from the underlying supernova is deflected by the gravity of a large collection of galaxies and an elliptical galaxy, which thus acts like a magnifying glass and amplifies the light from the distant supernova. This special phenomenon, called gravitational lensing effect, works like nature's own giant telescope and the supernova appears 20 times brighter than its normal brightness. Credit: NASA/ESA/GLASS/FrontierSN team)
컴퓨터 시뮬레이션에 의하면 지난 10년간 이 지역에서 관측하지 못한 50개 정도의 초신성이 10년의 시차를 두고 관측이 될 수 있다고 합니다. 렌즈 덕분에 밝기 역시 증폭되어 본래 밝기의 20배까지 밝아집니다. 이를 통해 새로운 초신성이 많이 발견될 가능성이 있습니다. 결국 과학자들에게 매우 멀리 있는 초신성을 찾을 수 있는 기회를 제공하는 것입니다.
연구자들은 이 초신성들 가운데 Type Ia 형을 찾을 수 있기를 희망하고 있습니다. 이를 통해서 아주 멀리 떨어진 은하의 정확한 거리를 측정할 수 있기 때문입니다. 중력 렌즈는 자연이 만드는 신기한 빛의 마술인 동시에 학문적으로도 중요한 역할을 하고 있습니다.
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