거대한 질량이 시공간을 휘게 만들어 빛의 경로를 구부리는 중력렌즈 효과. 아인슈타인의 일반상대성이론이 예측한 이 현상은 암흑물질을 찾고 먼 은하를 관측하며 우주를 확대해 보는 자연의 망원경입니다. 중력렌즈의 원리와 활용을 알아봅니다. 오늘은 중력렌즈 효과, 우주망원경으로 보는 보이지 않는 우주에 대해서 살펴보겠습니다.
아인슈타인의 예측, 에딩턴의 증명
1919년 5월 29일, 개기일식이 일어났다. 영국 천문학자 아서 에딩턴이 아프리카 프린시페 섬에 갔다. 특별한 관측을 위해서였다. 태양 근처 별의 위치를 측정했다. 평소엔 태양 빛 때문에 볼 수 없다. 하지만 일식 때는 가능하다. 태양이 가려지니까. 결과는 놀라웠다. 별이 원래 위치보다 1.75초각 바깥쪽에 있었다. 태양 중력이 별빛을 휘게 만든 것이다. 아인슈타인 일반상대성이론의 예측과 정확히 맞았다. 1.75초각. 뉴턴 이론은 0.87초각을 예측했다. 절반뿐이었다. 아인슈타인이 옳았다. 하룻밤에 아인슈타인은 세계적 명성을 얻었다. 중력렌즈 효과의 첫 관측이었다. 중력렌즈는 무엇일까. 거대한 질량이 시공간을 휘게 만든다. 빛은 시공간을 따라 직진한다. 휘어진 시공간을 따라가니 빛도 휜다. 마치 렌즈처럼 작용한다. 중력렌즈다. 아인슈타인은 1936년 논문을 썼다. 하지만 회의적이었다. 실제 관측은 불가능하다 여겼다. 효과가 너무 작기 때문이다. 하지만 틀렸다. 천문학자들이 찾아냈다. 1979년, 첫 중력렌즈 천체가 발견됐다. 쌍둥이 퀘이사였다. QSO 0957+561이다. 두 개의 퀘이사가 똑같이 생겼다. 위치만 6초각 떨어졌다. 스펙트럼도 동일했다. 쌍둥이가 아니었다. 하나의 퀘이사가 둘로 보인 것이다. 중간에 은하가 있었다. 은하 중력이 퀘이사 빛을 두 갈래로 휘게 만들었다. 중력렌즈였다. 이후 수천 개가 발견됐다.
강한 중력렌즈와 아인슈타인 링
중력렌즈는 세 종류다. 강한 렌즈, 약한 렌즈, 미세 렌즈다. 강한 렌즈는 극적이다. 배경 천체의 상이 여러 개 생긴다. 왜곡되고 늘어난다. 호나 고리 모양이 된다. 가장 극적인 건 아인슈타인 링이다. 광원, 렌즈, 관측자가 정확히 일직선에 있을 때 생긴다. 배경 천체가 완벽한 고리로 보인다. 렌즈 은하를 둘러싼다. 아름답다. 1987년 첫 발견됐다. 지금은 수백 개가 알려졌다. 제임스 웹이 완벽한 아인슈타인 링을 촬영했다. SDSS J1038+4849다. 붉은 고리가 은하를 감싼다. 120억 광년 떨어진 은하다. 앞의 은하가 30억 광년 떨어져 있다. 중력렌즈가 확대해 보여준다. 허블도 여러 개를 촬영했다. 아벨 370 은하단은 거대한 중력렌즈다. 배경 은하들이 호처럼 늘어진다. 수십 개의 호가 보인다. 같은 은하가 여러 번 보이기도 한다. 네 개 또는 그 이상이다. 십자가 퀘이사도 유명하다. 하나의 퀘이사가 네 개로 보인다. 앞의 은하가 만든 중력렌즈다. 네 상의 밝기가 다르다. 경로가 다르기 때문이다. 시간 지연도 있다. 빛이 각 경로를 따라 오는 시간이 다르다. 며칠에서 수개월 차이 난다. 퀘이사가 변하면 네 상이 순차적으로 변한다. 이걸로 허블 상수를 측정한다. 우주 팽창 속도를 알 수 있다. 약한 렌즈는 미묘하다. 배경 은하들이 약간 왜곡된다. 늘어난다. 통계적으로 분석한다. 수만 개 은하를 봐야 한다. 약한 렌즈로 암흑물질을 매핑한다. 은하단 주변 암흑물질 분포를 그린다. 보이지 않는 물질을 보는 방법이다. 총알 은하단이 결정적 증거다. 두 은하단이 충돌했다. 뜨거운 가스가 중앙에 모였다. 하지만 중력렌즈는 다른 곳을 가리켰다. 가스 바깥쪽에 질량이 있다. 암흑물질이다. 가스와 분리됐다. 암흑물질 존재의 직접 증거다.
중력렌즈 효과, 미세 렌즈와 우주 망원경
미세 렌즈는 별이 만든다. 배경 별 앞을 지나가는 별이 렌즈 역할을 한다. 배경 별이 밝아졌다 어두워진다. 며칠에서 몇 달 지속된다. 상이 여러 개 생기진 않는다. 너무 가까워서 구분 못 한다. 밝기만 변한다. 미세 렌즈로 외계행성을 찾는다. 별 주변에 행성이 있으면 추가 증폭이 생긴다. 몇 시간 지속된다. 광도곡선을 분석해 행성을 찾는다. 지구와 비슷한 작은 행성도 찾을 수 있다. 수천 광년 떨어진 행성도 가능하다. 다른 방법으론 불가능하다. 갈색왜성, 자유부유 행성도 찾는다. 렌즈 천체가 어두워도 된다. 중력만 있으면 되니까. OGLE, MOA 같은 프로젝트가 운영 중이다. 은하 중심부를 감시한다. 매일 수백만 개 별을 관측한다. 미세 렌즈 사건을 찾는다. 연간 수천 건이 발견된다. 중력렌즈는 자연의 망원경이다. 먼 은하를 확대해 준다. 10배, 때론 100배까지 확대된다. 제임스 웹이 이를 활용한다. 은하단을 관측한다. 배경의 아주 먼 은하가 확대된다. 빅뱅 후 수억 년 된 은하를 본다. 중력렌즈 없인 불가능하다. MACS0647-JD는 중력렌즈로 세 번 보인다. 133억 광년 떨어진 은하다. 우주에서 가장 먼 은하 중 하나다. 중력렌즈가 30배 확대했다. 세부 구조를 볼 수 있다. 중력렌즈는 우주론에도 중요하다. 허블 상수를 측정한다. 시간 지연을 이용한다. 암흑에너지도 연구한다. 먼 은하 분포를 본다. 우주 팽창 역사를 추적한다. 암흑물질 분포도 매핑한다. 은하단부터 우주 거대 구조까지. 보이지 않는 우주를 드러낸다. 유클리드 망원경이 발사됐다. 하늘 1/3을 관측한다. 수십억 개 은하를 본다. 약한 렌즈로 암흑물질 지도를 만든다. 3차원으로 그린다. 우주 역사 100억 년을 담는다. 중력렌즈. 시공간의 휘어짐이 만든 현상이다. 아인슈타인의 천재적 통찰이었다. 이제 우주를 보는 핵심 도구다. 암흑물질을 찾고, 외계행성을 발견하고, 가장 먼 은하를 본다. 중력이 만든 렌즈로 보이지 않는 우주를 본다.