重力レンズ効果
重力レンズ効果は、大質量天体の重力が光を曲げる現象です。一般相対性理論の重要な予言であり、現代の天文学では暗黒物質の探索や遠方銀河の観測に活用されています。
光が曲がる理由
一般相対性理論では、重力は時空の曲がりです。光は時空の中を測地線（最短経路）に沿って進みますが、大質量天体の周囲では時空が曲がっているため、光の経路も曲がります。
光が質量を持つなら重力で曲がるはずだと、1801年にゾルドナーが計算しました。しかし、その値は一般相対性理論の予測の半分でした。
一般相対性理論では、時空の曲がりによる効果が加わり、偏向角が2倍になります。
偏向角の公式
質量 の天体のそばを最接近距離 で通過する光の偏向角は、
太陽のすぐそばを通る光では、約1.75秒角の偏向が生じます。
1919年の日食観測
アインシュタインの予測は、1919年の皆既日食で検証されました。
アインシュタインが光の偏向を予測。太陽のそばで1.75秒角。
皆既日食中に太陽近傍の星の位置を測定。約1.6〜1.9秒角の偏向を確認。
この観測結果は世界中で報道され、アインシュタインは一躍有名になりました。
重力レンズの種類
天体の配置や質量によって、さまざまなレンズ効果が現れます。
光源、レンズ天体、観測者がほぼ一直線上にある場合。像が大きく歪んだり、複数に分かれたりする。
多数の背景銀河の形状がわずかに歪む。統計的に解析して前景の質量分布を推定する。
恒星などの小質量天体によるレンズ。背景の星の明るさが一時的に変化する。
アインシュタインリングとアーク
光源とレンズ天体が完全に一直線上にあると、光源の像は輪状に見えます。これがアインシュタインリングです。
わずかにずれている場合は、弧状の像（アインシュタインアーク）が観測されます。
アインシュタインリング（完全な輪）
アインシュタインアーク（弧状の像）
暗黒物質の検出
重力レンズ効果は、暗黒物質の存在を示す重要な証拠を提供しています。
銀河団の背景にある銀河を観測
銀河の形状が歪んで見える（弱い重力レンズ）
歪みのパターンから銀河団の質量分布を推定
可視物質だけでは説明できない質量が存在
銀河団の質量のうち、光で見える物質は約15%に過ぎず、残りは暗黒物質だと考えられています。
宇宙の拡大鏡
重力レンズは自然の「拡大鏡」として機能し、遠方の暗い天体を観測可能にします。銀河団による重力レンズを使って、宇宙初期の銀河が観測されています。
重力レンズ効果は、一般相対性理論の予言が宇宙規模で観測される美しい例です。
