중력 렌즈

2022.04.01 - [물리학II 클립] - 변형되는 공간, 장(field)의 등장

변형되는 공간, 장(field)의 등장

학습 목표

중력 렌즈 효과를 설명할 수 있다.

물리학 I과 물리학 II의 연결고리

빛은 서로 다른 두 매질의 경계면을 비스듬히 진행하면 '굴절'한다. 이때 굴절하여 진행하는 경로는 페르마의 원리, 최소 시간 경로 원리를 만족한다. 다시 말해 빛은 최소 시간이 소요되는 최단 거리를 진행한다. 사실 빛을 비롯하여 물체의 운동이나 엔트로피 등등 자연의 변화는 페르마의 원리를 만족한다.

강한 중력이 작용하는 공간에서 빛이 휜다는 사실은 빛의 '속도'가 일정하지 않다는 걸 뜻한다.

이것은 '광속불변의 법칙'에 위배되는 심각한 문제가 아닐 수 없다. 왜냐하면 특수 상대성 이론은 광속 불변의 법칙을 철칙으로 삼고 있기 때문이다. 아인슈타인은 스스로 자신의 위대한 이론인 특수 상대성 이론의 토대를 허무는 상황에 봉착한 것이다. 아인슈타인은 광속 불변 법칙을 고수하면서 빛의 휨에 대한 명쾌한 해석을 내놓아야 했다.

 

아인슈타인은 결국 공간의 구조를 새롭게 정립해야 할 필요성을 느끼게 되었다. 그에 대한 결론으로 제시한 것이 '공간의 왜곡'이다. 빛은 어디까지나 직진하는데 곡률로 이루어져 있는 공간의 왜곡이 빛의 진행을 휘어져 보이게 한다는 뜻이다.

 

따라서 먼 곳에 있는 별빛은 지구에 도달하는 도중, 중앙의 은하와 같이 중력이 크게 작용하는 천체가 있으면, 그 근처를 지나는 별빛은 마치 렌즈에서 굴절하듯이 휘게 된다. 이 '중력 렌즈' 현상에 대해 알아보자.

중력 렌즈

중력 렌즈 현상은 1924년 처음 언급되었으나 그 당시 과학자들은 중력 렌즈 효과에 관심을 보이지 않았다. 그러나 아마추어 과학자의 제안에 따라 아인슈타인이 1936년 논문으로 발표하면서 중력 렌즈 현상에 대해 과학자들이 관심을 갖게 되었다.

이후 1979년 '퀘이사'라는 천체를 관찰하면서 두 개의 별이 동일한 것임을 알게 되었고, 이것이 중력 렌즈에 의해 생긴 두 개의 상이라는 것을 알게 되었다. 이후에 중력 렌즈 현상이 계속 발견되었고, 현재에도 많은 중력 렌즈 현상들이 발견되고 있다.