1915年、アルバート・アインシュタインという名前の物理学者が、時空の曲率をエネルギーと結びつけることに成功した理論を発表しました。それは一般相対性理論と呼ばれ、アインシュタインは重力を彼の以前の特殊相対性理論の仕事に持ち込む方法としてそれに焦点を当てました.
一般相対性理論によると、物体の質量間の引力は時空のゆがみから生じるとされています。この洞察を武器に、一般相対性理論は、重力波が存在するという最も有名な確認を含め、多くのことを予測することができました。しかし、長い間、直接的な証拠はありませんでした。最初の直接的な証拠は、重力レンズ効果から得られました。
議論したように、エネルギーと時空間の曲率は関連しています。最も巨大な物体は、時空そのものを曲げることができます。引き伸ばされたシート上のボールを考えてみてください。ボールはシートを湾曲させ、小さなオブジェクトをそのシート上で滑らせると、ボールに向かって移動します。
驚くべきは、途方もなく巨大なものが光を曲げることさえできるということです。はい、宇宙で情報を運ぶ最速のものである光は、曲げることができます。これが一般相対性理論の「革新的」な点であり、この理論では、質量のない物体でさえ重力の影響を受けることができます。光子は光を構成する粒子であり、質量がゼロであるため、光は強い重力場の存在下で変形する可能性があります。
仕組みとレンズの関係
レンズが画像を歪めることができるという事実は、相対論をまったく必要としません。水で満たされたガラスは、ガラスの背後または内側の光を歪める可能性があります。写真レンズでは、補正しないと画像が湾曲し、リアルに見えません。
科学者は長い間レンズとその効果を認識していましたが、望遠鏡の出現により、非常に大きな質量を持つオブジェクト (一部の星、銀河、ブラック ホール) が、ここ地球上のレンズと同様の方法で光を歪ませることにも気付きました。 .したがって、これらの天体は一種のレンズ、つまり重力レンズとして使用できます。
レンズとターゲットが (天文学的な観点から) 十分に近く、密接に位置合わせされている場合、複数の画像が形成され、弧状に表示されます。これは、強いレンズ作用と呼ばれます。光源のイメージ乗算は、空間の曲率により同期がずれることがあります。光の経路が長いため、一部の画像は観測者に到達するのに時間がかかります。
レンズとソースがほぼ完全に整列すると、画像はアインシュタイン・チュウォルソンリングと呼ばれるリング形状に変形します。最も有名な多重画像現象は、いわゆる「アインシュタイン クロス」です。単一のソースの画像が十字形に変形し、重力現象によりターゲットのさらに 4 つのバージョンが表示されます。
一方、弱いレンズ作用は、画像が歪んでいるが、ターゲットのコピーがなく、細長い形状で歪んでいるだけの場合に発生します。一方、マイクロレンズは、光源、レンズ、または私たちの動きに関係しています。この動きは、通常観察するのが難しいオブジェクトを明るくするソースの倍率を変更します。
アインシュタインの正しさを証明する
重力レンズ効果は、一般相対性理論を証明するために使用された重要な技術の 1 つです。 1919 年には、南半球のいくつかの国で日食が観測され、ヒアデス星団がたまたま太陽と同じ視野範囲にありました。サー フランク ワトソン ダイソンは、日食を観察するために地球上のさまざまな場所に 2 つの遠征隊を送りました。偶然にも、ポルトガル語を話す 2 つの場所でした。1 つはサントメ プリンシペ民主共和国 (当時は「プリンシペ島」と呼ばれていました。エディントンとエドウィン コッティンガム、ブラジルのソブラル市で、チャールズ デビッドソンとアンドリュー クロムメリンと共に。
Sobral のチームは、Príncipe チームの 2 枚の画像とは対照的に、より良い気象条件を見つけて 7 枚の画像を登録しました。その後、写真乾板の分析は、2 つの実験から偏向角を推定することによって行われました。両方の結果で、誤差範囲を考慮すると、観察により理論が確認されました。証拠にもかかわらず、確認はアインシュタインにすぐに名声を与えませんでした。他の日食が助けになる必要があり、科学界は理論を消化するのに時間がかかりました。
重力レンズで何を見つけることができますか?
レンズ効果は、星や銀河が視野範囲内にある場合には発生しません。暗黒物質は質量が大きいため、重力場があります。科学者は、重力レンズ効果を使用して、巨大な銀河団からの暗黒物質の量を推定しています。
マイクロレンズは、天文学者や天体物理学者が太陽系外惑星を見つけるのに役立ちます。レンズが星の前を通過するとき、その明るさは完全な位置合わせで最大になり、動きが続くと元の倍率に戻ります。星が惑星によって食されるたびに、明るさの変化に異常が現れ、研究者はホスト惑星の存在を確認できます。
宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) を覚えていますか?これは、光子が物質と相互作用することなく自由に移動できた宇宙の最も古い「イメージ」です。光子は光であり、光の経路にあるすべてのものは光を曲げることができます。科学者は暗黒物質を分析することで、CMB がどれほど歪んでいるかを知ることができます。
プランク衛星は、重力レンズ効果によって宇宙の暗黒物質の分布に関する結果をもたらした最初の装置でした。この分布を示す画像では、灰色は天の川と近くの非常に明るい銀河を表しています。それらは測定を台無しにするため、除外する必要があります。濃い青色は、明るい部分よりも暗黒物質が多い領域です。
いくつかの銀河を検出するのに苦労しなくても、ある程度の努力を期待するなら、科学者たちはすでにレンズ効果のある重力波について考えています。それはどれほど難しいことでしょうか？彼らは、強力なレンズ効果によって重力波が増幅された場合、重力波の信号が増加すると予測しています。問題は、観測のノイズ/エラーの増加にも役立つことです。それまでは、非常に抽象的な理論から生まれた重力レンズ効果について多くの研究が行われており、理論的研究が尊敬に値することを証明しています.
