우주에서도 빛이 굴절된다? 천체에 의해 빛이 휘어져 보이는 ‘중력렌즈’ [지식용어]

[시선뉴스 조재휘] 투명한 유리나 플라스틱으로 만든 렌즈를 통해 물체를 보면 물체의 모양이 축소 또는 확대되거나 변형되어 보인다. 이는 빛이 공기를 통과할 때와 유리나 플라스틱 속을 통과할 때 속도가 달라져 경계면에서 빛이 굴절되기 때문이다.

그런데 이와 같은 현상이 우주에서도 일어난다고 한다. 매우 멀리 떨어진 천체에서 나온 빛이 지구까지 도달하기 전 은하 및 은하단과 같은 거대한 천체들의 중력장 영향을 받아 굴절되어 보이는데 은하와 은하단의 중력이 돋보기처럼 빛을 모으기 때문에 ‘중력렌즈’라고 한다.

‘중력렌즈’는 아주 먼 천체에서 나온 빛이 중간에 있는 거대한 천체에 의해 휘어져 보이는 현상을 의미한다. 쉽게 말해 중력이 렌즈 역할을 해 빛의 굴절을 만들어내는 것이다.

중력렌즈는 1915년 발표된 아인슈타인의 <일반 상대성 이론>에 의해 예측되었고, 1919년 영국의 천문학자 아서 에딩턴이 서아프리카 해변의 프린시페 섬에서 개기일식을 관측하여 태양의 중력에 의해 굴절된 별의 위치를 확인하여 이를 입증했다.

이 현상은 천체의 중력이 클수록 더 크게 나타나며 중력렌즈의 중심에서 빛이 가장 많이 휘어지고 먼 곳에서는 적게 휘어진다. 이는 광학 렌즈와는 반대로 나타나는데 그로 인해 중력렌즈 효과에서는 초점이 존재하지 않는다.

중력렌즈는 렌즈현상을 일으키는 천체의 질량과 크기에 따라 두 가지로 구분한다. 천체의 질량이 태양의 1백만 배 이상일 경우를 일반적으로 중력렌즈라고 하고, 1백만 배보다 작고 1만 분의 1보다 큰 천체를 마이크로중력렌즈라고 한다. 

최초로 발견된 중력렌즈는 1979년 영국의 월시, 카스웰, 와이만이 전파 관측을 통하여 확인한 6억 5천만 광년 떨어져 있는 준성 Q0957+561이 그 앞쪽에 위치한 밝은 은하에 의해 두 개의 상으로 보이게 된 것이다. 

이 현상은 1979년에 처음으로 발견된 이후 지금까지 100개가 넘게 발견되었다. 이것은 우주의 천체들이 강한 중력으로 빛을 휘게 함으로써 나타나는 우주의 신기루 현상이며 일반상대성이론이 옳다는 증거이기도 하다.

가장 유명한 중력렌즈는 페가수스자리에서 관측된 ‘아인슈타인 십자가’ 혹은 ‘후크라의 렌즈’이다. 약 80억 광년 떨어져 있는 준성 Q2237+0305의 빛이 2억 광년 떨어진 페가수스은하단에 속한 나선은하의 핵부분에 의해 휘어져서 형성된 이 중력렌즈는 은하핵 주변에 4개의 상을 만들고, 마이크로중력렌즈도 포함하고 있다.

그리고 2014년에는 허블 우주망원경을 통해 93억 광년 거리에 있는 초신성이 중력렌즈 효과로 4개의 상으로 관측되었다고 <사이언스>에서 발표했다.

우주는 인간의 상상 이상으로 신비한 현상들이 많이 일어난다. 우주의 비밀을 하나씩 알아내면서 앞으로 연구를 통해 또 어떻게 천문학의 발전을 이루어낼지 기대가 모아진다.