宇宙の彼方に「アインシュタインの十字架」を発見! 重力レンズの向こう側は別の銀河だった

space 2019/03/21
黄色い銀河(重力レンズ)を取り囲むようにして輝く青白い4つの光(A, B, C, D) / Credit: Instituto de Astrofísica de Canarias
Point
■重力レンズによって生まれる新たな「アインシュタインの十字架」が発見された
■ハッブル宇宙望遠鏡が捉えた高解像度画像と、カナリア大望遠鏡の分光観測が威力を発揮
■重力レンズの先にある光源は、地球から少なくとも200億光年離れた別の銀河

はるか彼方の宇宙に、特大サイズの十字架が姿を現しました。黄色い光を取り囲むように、青白く煌めく4つの明かり…。まるで宇宙の宝石です。

十字架とは、アインシュタインの一般相対性理論によって導き出された「アインシュタインの十字架」のことです。今回、イタリアの研究チームが、ハッブル宇宙望遠鏡とカナリア大望遠鏡の観測データをもとに、新しく発見しました。論文は「The Astrophysical Journal」に掲載されています。

A New Einstein Cross Gravitational Lens of a Lyman-break Galaxy
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab0aeb/meta

観測対象の大きさ・形・明るさを変える「重力レンズ」

アインシュタインは、重い物体によって発生した重力が歪めた時空に沿って、光が曲がって進むことを提唱しました。観測者と観測対象の間に別の天体があった場合、観測対象が放射したバラバラの光を、天体の重力が凸レンズの役割を果たして一点に集めます。

この時、観測者は別々の光を目にするために観測対象が複数の像となって見えますが、これを「重力レンズ効果」と呼びます。重力レンズは、遠く離れた観測対象の大きさ・形・明るさを変化させます。

重力レンズ / Credit: NASA

観測対象の見え方は、観測対象と重力レンズの位置関係によって異なります。今回の十字架にように見える場合もあれば、輪っかや弓のような形を作る場合もあります。まさにアクセサリーさながらのバリエーションです。

しかし重力レンズによって発生する光の分裂はとても小さいため、観察には高解像度カメラが欠かせません。今回の観測でも、光を狭い範囲へ集めることで、暗い天体でも詳細に観測することに優れたハッブル宇宙望遠鏡が威力を発揮しました。

ですが、問題は、天体の周りを4つの光が十字架のように並んでいるからといって、それらの光が同一の物体から発生しているという証明にはならないことです。そこで研究チームは、カナリア大望遠鏡を用いて分光観測を実施。その結果、期待以上の結果が得られました。

同じ波長を示すA, B, Cのスペクトル / Credit: GTC

大気が澄み、乱気流が少ないという好条件が功を奏し、研究チームは4つの光(A, B, C, D)のうち3つ(A, B, C)を分離し、スペクトルに分けることに成功。3つのスペクトルすべてにおいて、電離水素による輝線が同じ波長で現れたことから、これらが同じ物体から発生していることが示されたのです。

光源は地球から200億光年以上離れた若い銀河

Credit: depositphotos

こうしてめでたく認められたアインシュタインの十字架は、位置する宇宙座標にちなんでJ2211-0350と名付けられました。重力レンズの役割を果たすのは、地球から70億光年ほど先にある楕円形をした銀河です。

そして、レンズの向こう側にある光源は、地球から少なくとも200億光年離れた場所にある別の銀河です。光源が強い輝線を放つことから、現在も大量の星を形成し続けている若い銀河だと考えられています。

通常、重力レンズ効果で分裂する光源はクエーサーであることが多いため、今回のように別の銀河が光源であることはとても珍しいケースです。

もともとは同一の光が分裂して宇宙空間で別の経路を通るため、スペクトルの違いは観測者と観測対象の間に物体があることを意味します。さらに、今回見つかった十字架のように、観測対象が変化するものである場合、分裂した個々の光が観察者に届くまでの間に時間差が生まれます。その差をもとに、私たちは宇宙の形についての貴重な情報を得ることができます。

また、重力レンズの質量を正確に導き出して、銀河の質量を計測するのに役立てることも可能です。さらに、重力レンズは光源から放射される光を集約するため、本来見ることのできない観測対象を私たちに見せてくれます。

Credit: pixabay

宇宙に燦然と輝くアインシュタインの十字架。美しいだけでなく、宇宙に漂う多くの謎の解明に役立つことが期待されています。

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reference: phys.org / translated & text by まりえってぃ

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