重力レンズ
重力レンズ（じゅうりょくレンズ、英語: gravitational lens[1]）とは、恒星や銀河などが発する光が、途中にある天体などの重力によって曲げられたり、その結果として複数の経路を通過する光が集まるために明るく見えたりする現象。光源と重力源との位置関係によっては、複数の像が見えたり、弓状に変形した像が見えたりする。重力レンズ効果とも言われる。また、リング状の像のものはアインシュタインリングと言われる。
Contents
原理
光が曲がることは一般相対性理論から導かれる現象で、一般相対性理論の正当性を証明した現象のひとつである。光は重力にひきつけられて曲がるわけではなく、重い物体によってゆがめられた時空を進むために曲がる。対象物と観測者の間に大きい重力源があると、この現象により光が曲がり、観測者に複数の経路を通った光が到達することがある。これにより、同一の対象物が複数の像となって見える。光が曲がる状態が光学レンズによる光の屈折と似ているため重力レンズと言われる。
右はその効果を示したCGである。1つの銀河から発せられた光（白い矢印）が、中央にある重い天体の影響によって曲げられ、それぞれ別の経路で地球へと届く。地球上の観測者からは、あたかも2つの同じ天体があるように見える。オレンジ色の矢印は見かけの光の経路である。
なお、複数の像はそれぞれ別々の経路を通ってきた光であるため、一般的に観測者（地球）までの到達時間が異なる。そのため、それぞれの像の光が対象物からでたのは異なる時である。
分類
3つの種類に分類される。
- 強い重力レンズ (strong lensing)
- レンズ源の影響が強く、アインシュタイン・リング、弓状に変形した像 (arc)、複数の像など、光の曲げられる現象が明らかに観測されるもの。
- 弱い重力レンズ (weak lensing)
- レンズ源の影響が比較的弱く、多くの天体の光線データを集計することによって、統計的にレンズ効果と判定される現象。宇宙初期の背景マイクロ波が地球に届くまでに銀河形成によって揺らぐ統計などの研究がなされている。
- マイクロレンズ (microlensing)
- 非常に小さいレンズ源のため、光の曲がりではなく、光の明るさの時間変化によってレンズ現象だと推定される現象。銀河内のダークハローを形成する小天体が、地球から遠方の天体との視線方向を横切るときなどに発生する例が知られている。
歴史
最初に重力レンズ効果を論文に発表したのは、オレスト・ダニーロヴィッチ・フヴォリソン（ロシア語: Орест Данилович Хвольсон）であり、それは1924年[2]のことであった[3][4]。しかし、フヴォリソンの論文はあまり注意を引かなかった。そのため、1936年にアルベルト・アインシュタインが対象物、重力源、観測者が一直線上にならんだ場合にはリング状の像が見えると発表したことによって重力レンズ効果は有名になった。
このことから、リング状に見えるものをアインシュタインリングと言うが、最初に指摘したのはフヴォリソンであるから、フヴォリソン-リング効果、または「フヴォリソン-アインシュタイン・リング効果」と呼ぶべきとの議論がある。
位置関係が一直線上からズレたり、重力源が無視できない大きさを持つと、それらの程度により弓状の像やゆがんだ複数の像が見える。弓状の像のものがアインシュタインリングと言われることも多い。
論文の発表当初、アインシュタインは、対象物、重力源、観測者が一直線上にならぶ現象は発生する可能性が低いため観測は不可能だろうと考えていた。しかし、1979年の3月に隣接するクエーサー像のスペクトルがまったく同じであることが発見され、8か月後には、これが銀河を重力源とする重力レンズによるものであることが分った。このクエーサーQSO B0957+561は、その形からツインクエーサーという固有名をもつ。以降多くの例が発見され、2005年現在で約100の重力レンズによる多重像クェーサー系が報告されている。
アインシュタインの発表の経緯
アインシュタインが重力レンズ効果を発表するについては、風変わりな逸話がある[5][6]。
1936年の春に、チェコの技術者でアマチュア科学者のルディ・マンドル (Rudi W. Mandl) が、米国ワシントンの米国科学アカデミーを訪ねてきた。彼は自分が考え出した重力レンズのアイディアを論文にしたいと切望していたのである。その熱心な依頼と、拒否するにはもったいないアイディアゆえに、木で鼻をくくったような返事もできず、彼を持てあましたアカデミーの担当者は、相対性理論のこれ以上あり得ない権威者のアインシュタインに頼むように言い、おまけにプリンストン高等研究所までの旅費まで渡したのである。
1936年4月17日にマンドルはプリンストン高等研究所にアインシュタインを訪ねてきた。意外なことに、アインシュタインは珍客にとても親切でマンドルの話を熱心に聞いてくれた。マンドルは、自分のアイディアをアインシュタインに熱く語り、大科学者の説得に成功した。アインシュタインは、マンドルのアイディアを論文にして1936年12月4日号のサイエンスに投稿したが、その論文 “Lens-like action of a star by the deviation of light in the gravitational field” の冒頭に次のように書いている。「しばらく前に、R. W. Mandlが訪ねてきて、ちょっとした計算結果を出版して欲しいと私に依頼した。このノート（論文のこと）は彼の希望に応じたものである。」[7]
アインシュタインは論文発表後にサイエンスの編集者に宛てた手紙の中で、「あの論文はマンドル氏をなだめるために書いたのです。マンドル氏が私に強いたあの小論を雑誌に載せていただいて感謝しています。ほとんど価値のない論文ですが、あのあわれな男は喜んでいるでしょう。」と書いている[8]。
重力レンズの観測およびそれを利用した研究
測定に近似を必要とするX線観測による質量測定と異なり、重力源の質量を直接光学的観測により測定することができる点が特筆すべき特徴である。
銀河団による重力レンズ効果を観測することで、銀河団自体の質量を測定することが可能である。この結果とX線測定によって見積られた質量を比較すると、明らかに差がある。これは銀河団周辺に分布するダークマターによる質量が寄与しているためと考えられ、すなわち重力レンズ効果はダークマターの質量測定に用いることができる現象であると言える。
2003年12月18日に東京大学などの研究グループが、SDSS J1004+411にて、それまで知られていた重力レンズよりも2倍以上光が曲がる変化を発見した。
また、重力マイクロレンズを利用した太陽系外惑星の探索をPLAN、OGLE、MOAなどのチームが行っている。
重力レンズ効果の例
- ツインクエーサー：初発見の重力レンズ効果。
- アインシュタインの十字架：中央の銀河による重力でクエーサーが四重の像になっている天体。
- SDSS J0946+1006：中央の銀河による重力で2個の銀河が二重のアインシュタインリングとなっている天体。
- MOA-2007-BLG-192Lb：重力マイクロレンズ効果によって発見された太陽系外惑星。
脚注
- ↑ 文部省・日本天文学会編 『学術用語集 天文学編』 日本学術振興会、1994年、増訂版。ISBN 4-8181-9404-2。
- ↑ Chwolson, O., 1924. Regarding a possible form of double stars. Astronomische Nachrichten, 221, 329-330.
- ↑ A brief history of gravitational lenses
- ↑ Christina Turner: The Early History of Gravitational Lensing
- ↑ Eclipses of the Stars – MANDL, EINSTEIN, AND THE EARLY HISTORY OF GRAVITATIONAL LENSING Jürgen Renn and Tilman Sauer, Max Planck Institute for the History of Science, PREPRINT 160 (2000)
- ↑ 目で視る相対論７．宇宙の幻 福江純、天文、第82巻第1号
- ↑ Lens-like action of a star by the deviation of light in the gravitational field Science 4 December 1936: Vol. 84 no. 2188 pp. 506-507 DOI: 10.1126/science.84.2188.506 LETTERS DISCUSSION
- ↑ Eclipses of the Stars – MANDL, EINSTEIN, AND THE EARLY HISTORY OF GRAVITATIONAL LENSING Jürgen Renn and Tilman Sauer, Max Planck Institute for the History of Science, PREPRINT 160 (2000), p.13