제목만 보고도 내용을 짐작하신 분들도 있겠지만 천문학자들이 현재 사용할 수 있는 가장 거대한 렌즈는 바로 중력 렌즈 (Gravitational lens) 입니다. 중력렌즈 효과는 아인슈타인이 일반 상대성 이론에서 예측했던 현상으로 쉽게 말해 큰 질량을 가진 천체 주변의 시공간에 굴곡이 생기면서 주변의 빛이 직진하지 못하고 그 진행 방향이 굴절되는 것을 의미합니다. 이것은 마치 일종의 렌즈 같은 역할을 해서 멀리 있는 물체를 확대하거나 혹은 본래 있는 천체 주변으로 환영 같은 이미지가 보이게 됩니다.
(중력 렌즈를 간략히 설명하는 그림. 멀리 떨어진 은하에서 나온 빛이 그 사이에 있는 은하의 중력으로 관측자 쪽으로 더 모이게 되어 보다 밝게 관측됨. Illustration for gravitational lens. Bending light around a massive object from a distant source. The orange arrows show the apparent position of the background source. The white arrows show the path of the light from the true position of the source. Credit : NASA)
(실제 중력렌즈를 통해서 보이는 이미지. 중앙에 있는 붉은 점은 luminous red galaxy (LRG) 라는 타입의 은하이며 주변의 고리 같이 보이는 것은 이보다 더 멀리 떨어진 은하가 중력 렌즈 효과에 의해 이미지가 변형되어 보이는 것. 이는 아인슈타인 고리라고 부르기도 함 What's large and blue and can wrap itself around an entire galaxy? A gravitational lens mirage. Pictured above, the gravity of a luminous red galaxy (LRG) has gravitationally distorted the light from a much more distant blue galaxy. More typically, such light bending results in two discernible images of the distant galaxy, but here the lens alignment is so precise that the background galaxy is distorted into a horseshoe -- a nearly complete ring. Since such a lensing effect was generally predicted in some detail by Albert Einstein over 70 years ago, rings like this are now known as Einstein Rings. Credit : ESA/Hubble & NASA )
중력 렌즈는 현대 천문학에서 매우 중요한 역할을 하고 있습니다. 천문학자들은 이를 이용해서 어떤 방법으로도 관측할 수 없는 암흑 물질의 3 차원 적인 분포를 알아낼 수도 있고 아주 멀리 떨어진 은하를 관측할 수도 있습니다. 일반적인 방법으로 관측이 어려운 천체라도 중력 렌즈를 통해서 그 존재를 증명할 수도 있는 것이죠.
최근 천문학자들은 나사의 우주 주요 우주 망원경인 허블 우주 망원경, 스피처 우주 망원경, 찬드라 X 선 관측 위성을 동원해 우주에서 가장 큰 렌즈라고 할 수 있는 은하단 (은하들이 모인 집단) 에 의한 중력 렌즈를 관측에 사용하려고 시도하고 있습니다. 이 계획은 프론티어 필드 (Frontier Field) 라고 명명되었는데 2014 년 1월에 열린 미국 천문학회 (American Astronomical Society) 에서 심도 있게 논의되었다고 합니다.
(나사 사이언스 캐스트 )
허블 우주 망원경 같은 강력한 망원경으로도 모자라서 이렇게 큰 렌즈의 도움을 받아야 관측이 가능한 천체는 바로 우주 극초기의 은하들입니다. 과학자들은 우주의 초기에 은하들이 어떻게 형성되었는지 알기 위해서 가능한 멀리 떨어진 은하를 관측하기 위해서 노력하고 있습니다. 만약 100 억 광년 떨어진 은하를 본다면 사실 100 억년 전의 은하를 보는 것과 같기 때문이죠.
이전에 설명드린 Abell 2744_Y1 ( http://jjy0501.blogspot.kr/2014/02/Search-for-the-earliest-galaxy.html 참조) 이 바로 그런 사례입니다. 이 은하는 약 40 억 광년 정도 떨어진 대형 은하단인 Abell 2744 의 중력 렌즈 효과로 발견되었는데 빅뱅 이후 불과 6억 5000 만년 전의 모습을 관측하는데 성공했다고 합니다. (즉 대략 130 억 광년 떨어진 은하)
허블 우주 망원경의 이미지를 분석한 과학자들은 Abell 2744 의 중력 렌즈 효과 덕분에 거의 3000 개나 되는 멀리 떨어진 은하들을 발견할 수 있었다고 합니다. 이 은하들은 중력 렌즈로 인해 본래 밝기의 10 - 20 배 정도 더 밝게 보였습니다.
프론티어 필드에 참여하는 과학자들은 Abell 2744 는 시작에 불과하다고 생각하고 있습니다. 향후 3개의 우주 망원경을 이용해서 적당한 거리와 질량을 가진 대형 은하단 6 개를 타겟으로 관측하면 아주 멀리 떨어진 은하의 이미지들을 대거 얻을 수 있을 것으로 기대하고 있기 때문입니다.
우주 초기의 은하의 모습이 어땠는지 알 수 있다면 결국 우리 은하가 어떻게 지금 처럼 진화했고 우리가 보는 외부 은하의 모습이 왜 지금처럼 진화했는지 더 확실한 증거를 찾을 수 있을 것입니다. 그리고 이것은 결국 우리 인류가 어떻게 이 지구에 살고 있는지에 대한 과학적 설명과도 연관이 있겠죠. 과연 대형 중력 렌즈를 이용한 연구가 어떤 결과를 가져올지 궁금합니다.
참고
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