重力レンズ: 時空が蜃気楼になるとき

ハッブル観測による重力レンズの例（クラスターCL0024+1654） — **画像の説明**: ハッブル宇宙望遠鏡からのこの画像には、ループ状の青い天体がいくつか示されていますが、これらは実際には同じ銀河の複数の画像です。それらは、写真の中心近くにある、0024+1654 と呼ばれる黄色の楕円形の渦巻銀河群の重力レンズによって複製されました。画像出典: WN Colley および E. Turner (プリンストン大学)、JA Tyson (Bell Labs、Lucent Technologies)、およびNASA （新しいウィンドウ）、ESA （新しいウィンドウ）

物理原理: 時空の曲率

によると、一般相対性理論アルバート・アインシュタイン (1915) によると、重力は古典的な意味での力ではなく、時空の歪み物体の質量によって引き起こされます。この曲率は光の経路に影響を与えます。光線が質量のある物体 (銀河や星団など) の近くを通過するとき、光線は光学レンズのように偏向されます。と呼ばれるこの現象は、重力レンズ、1919年の日食中に初めて確認され、アインシュタインの理論が検証されました。

さまざまな種類の重力レンズ

重力レンズの種類とその特徴
レンズの種類	説明	観察例	典型的な視覚効果
強力なレンズ	ほぼ完璧な光源、レンズ、観察者の位置合わせによる光の極端な歪み。物質の微細な構造を明らかにします (目に見えて黒色です)。	星団 CL0024+1654 (ハッブル、2004)。アインシュタイン十字 (クエーサー Q2237+0305)。	完全/部分的なアインシュタインリング、巨大な円弧 (>10°)、複数の画像 (最大 5 つ)。
弱いレンズ	背景銀河の微妙な歪み。統計解析を通じて暗黒物質を大規模にマッピングするために使用されます。	Dark Energy Survey (DES) 調査。プランク衛星からのデータ (宇宙マイクロ波背景放射)。	銀河は楕円形に引き伸ばされ、優先配列 (「宇宙シア」)、低増幅 (×1.1 ～ × 2)。
マイクロレンズ	恒星体（恒星、ブラックホール）によって引き起こされる一時的な影響（数時間から数か月）。目に見える歪みはなく、増幅のみです。	OGLE および MOA プロジェクト。 OGLE-2005-BLG-390Lb のような系外惑星の発見。	対称的な光度曲線、ピーク輝度 (×2 ～ × 100)、複数の画像は解決されません。

注：:
重力レンズは研究に欠かせないツールです。見えない宇宙。
• 暗黒物質: それらの効果により、銀河団内に見える物質よりも 5 ～ 10 倍大きい質量が明らかになります。
• ダークエネルギー: 大規模な歪み (弱いレンズ作用) は、宇宙膨張の加速度を測定するのに役立ちます。
• 原始銀河: 増幅により、現在の望遠鏡の限界よりも 10 ～ 100 倍暗い天体を観察することが可能になります。

特殊なケース: アインシュタインの指輪
光源（星や銀河）、巨大な物体（レンズ）、そして観測者がいるとき、完璧に揃った、光は対称的に偏向され、ライトリングレンズ周り。このリングは、時空の湾曲した幾何学構造を直接表現したものです。

天体物理学への応用

暗黒物質の検出

重力レンズが存在を明らかにする暗黒物質、従来の望遠鏡では見えません。天文学者は、星団 (銀河、ガス) の目に見える質量と、光の歪みから推定される総質量を比較することにより、次のように推定しています。宇宙の物質の約 85%未知の性質のものです。例: ブーレット星団 (第一紀 0657-56) は、そのレンズ効果を通じて暗黒物質の直接的な証拠を提供しました。

遠方の銀河の研究

レンズは次のように機能します天然虫眼鏡、遠くの物体の光を増幅します（最大50倍）。これにより、形成されたばかりの若い銀河を観察することが可能になります。ビッグバンから5億年後、としてGN-z11（2016年に発見）。

宇宙の距離を測定する

同じ物体 (クエーサーなど) の複数の画像間の時間遅延を分析することで、科学者は宇宙の膨張率(ハッブル定数)。例: クエーサーRX J1131-1231\(H_0\) の独立した測定が可能になりました。

制限と課題

強力ではあるものの、重力レンズには次のような課題があります。

複雑なモデリング: 画像を解釈するには、レンズの質量分布 (暗黒物質を含む) を指定する必要があります。
寄生効果: 超新星や銀河間ガスは測定値を歪める可能性があります。
限られた解像度：現在の望遠鏡（ハッブルやJWSTでさえも）は、微妙な歪みをすべて捉えているわけではありません。

将来の楽器などアインシュタイン望遠鏡(2035 年予定) は、この分野に革命をもたらすはずです。