重力レンズ

重力レンズ

重力レンズ（じゅうりょくレンズ）とは、観測者と光源の間に存在する質量によって、光の進行が曲がる現象を指します。この質量は主に銀河団などの大規模な天体によるもので、光の進行経路を変更し、時に光源の像を不自然に変形させます。この現象は、光源、重力源、観測者の位置関係によって様々な形で観測され、時には同一の光源からの光が複数の像として見えることもあります。この現象を英語では "gravitational lensing" と呼び、日本語では「重力レンズ効果」として知られています。特に見られるリング状の像は "アインシュタインリング" という名前で呼ばれます。

原理

光が曲がるのは、一般相対性理論の影響によるものです。光そのものが重力によって引き寄せられるのではなく、重い物体によって歪められた時空を進む過程で光が曲がるため、観測者は通常とは異なる光の経路を見ることができます。大きな重力源の存在で、光は異なる経路を通って観測者に届くため、同じ天体が複数の像として観測されることがあるのです。この現象は、光学レンズの屈折に似た結果をもたらすため、「重力レンズ」と名づけられました。

分類

重力レンズ効果は、以下の3つに分類されます。

1. 強い重力レンズ（Strong Lensing）: 強い重力源の影響で、アインシュタインリングや弓状の像、複数の像が明確に観測されます。

2. 弱い重力レンズ（Weak Lensing）: 相対的に弱い重力源の影響で、複数の天体の光線を統計的に解析しレンズ効果を判定する現象です。宇宙初期の背景マイクロ波の揺らぎを研究する上で重要です。

3. マイクロレンズ（Microlensing）: 非常に小さなレンズ源によって発生する現象で、光の進行ではなく明るさの時間変化によって判断されます。銀河内の暗い物体が遠方天体の視線を横切ることで観測されます。

歴史

重力レンズ効果は、1924年にオレスト・ダニーロヴィッチ・フヴォリソンによって初めて論文に発表されましたが、その後あまり注目されませんでした。1936年にアルベルト・アインシュタインが重力レンズ効果を詳細に説明し、特にリング状の像が形成されることを示すことで、一躍脚光を浴びました。この影響で、アインシュタインの名前がついた「アインシュタインリング」という用語が使われるようになったのです。その後、1979年にはクエーサーの重力レンズ例が発見され、以降多くの重力レンズ現象が確認されてきました。

観測と研究への応用

重力レンズ効果は、銀河団の質量を直接的に測定する手法としても利用されます。X線観測による測定とは異なり、重力源の質量を光学的に測定可能なところがその特長です。研究者たちはこの手法を用いてダークマターの分布を探ることにも取り組んでいます。また、重力マイクロレンズを利用した系外惑星の探索活動も盛んに行われています。2015年には、超新星が重力レンズによる多重像として捉えられ、新たな天体観測の可能性を示しました。

具体例

重力レンズ効果の具体例として、1979年に発見されたツインクエーサーが挙げられます。また、1984年にはアインシュタインの十字架が発見され、異なる位置にあるクエーサーが銀河による重力で四重の像として観測されました。こうした観測結果は、宇宙の構造理解を深める上でも重要な役割を果たしています。

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