重力レンズ効果

アインシュタインリングは、観測者・レンズ・光源が完全に一直線に並んだときにのみ形成されます。ハッブル宇宙望遠鏡は1998年に初めて光学的なアインシュタインリングを撮影しました。現在ではJWSTが数百個ものリングを分解し、手前の銀河を取り巻くダークマターハローの質量を他のどの手法にも匹敵しない精度で測定するために利用しています。重力レンズ効果は、光を放つかどうかにかかわらず質量を明らかにするため、レンズサーベイは宇宙のエネルギー密度の約27%が冷たいダークマターであることを示す最も強力な証拠の一つとなっています。

質量が集まるとその周囲の空間が曲がり、近くを通る光もその曲がりに沿って進みます。こうして手前の銀河は、その背後にあるより遠い天体の光を曲げます。すると像は一つではなく二つ、あるいは弧や完全なリングとして見え、しかもそれぞれが明るくなります。レンズが重いほど、そして整列が正確なほど、このツールが計算するアインシュタイン半径 θ_E は大きくなります。天文学者はこれを無料の望遠レンズとして使い、直接見るには暗すぎる銀河を調べます。

重力レンズは驚くほど出来の悪い光学機器です。ガラスの凸レンズは中心から遠い光線ほど大きく曲げ、平行光を一つの焦点に集めます。ところが重力は逆で、偏向角 α = 4GM/(c²b) は光が質量に近づくほど大きくなります。そのため平行光線は一点で交わることがなく、無限遠まで伸びる一本の線に沿って集まります。この『欠陥』こそが、レンズ像を鋭い点ではなくリングや弧へと引き伸ばす理由なのです。