重zhòng力lìレンズ

重zhòng力lìレンズ効xiaò果guŏの概gaì念niàn図tú

銀yín河hé団tuán Abell 1689によって作zuòられた重zhòng力lìレンズの効xiaò果guŏ。遠yuăn方fāngの多duō数shùの銀yín河héの像xiàngが円yuán弧hú状zhuàngに引yĭnき伸shēnばされて見jiànえている。

一yī般bān相xiāng対duì性xìng理lĭ論lùn
$G_{\mu \nu }+\Lambda g_{\mu \nu }={\tfrac {8\pi G}{c^{4}}}T_{\mu \nu }$
アインシュタイン方fāng程chéng式shì
入rù門mén 数shù学xué的de定dìng式shì化huà 関guān連lián書shū籍jí
基jī本běn概gaì念niàn 特tè殊shū相xiāng対duì性xìng理lĭ論lùn 等děng価jià原yuán理lĭ 世shì界jiè線xiàn · リーマン幾jĭ何hé学xué 現xiàn象xiàng ケプラー問wèn題tí · レンズ · 重zhòng力lì波bō 慣guàn性xìng系xìの引yĭnきずり · 測cè地dì効xiaò果guŏ 事shì象xiàngの地dì平píng面miàn · 特tè異yì点diăn ブラックホール 方fāng程chéng式shì 線xiàn形xíng化huà重zhòng力lì PPN形xíng式shì アインシュタイン方fāng程chéng式shì フリードマン方fāng程chéng式shì ADM形xíng式shì BSSN形xíng式shì 高gaō度dùな理lĭ論lùn カルツァ＝クライン理lĭ論lùn 量liàng子zĭ重zhòng力lì理lĭ論lùn 解jiě シュヴァルツシルト ライスナー・ノルドシュトロム · ゲーデル カー · カー・ニューマン カスナー · Taub-NUT · ミルン・モデル ロバートソン・ウォーカー · pp波bō 科kē学xué者zhě アインシュタイン · ミンコフスキー · エディントン ルメートル · シュヴァルツシルト ロバートソン · カー · フリードマン チャンドラセカール · ホーキング

重zhòng力lìレンズ（じゅうりょくレンズ、英yīng: gravitational lens ）とは、光guāng源yuánと観guān測cè者zhěの間jiānに分fēn布bùする質zhí量liàngであり、特tèに銀yín河hé集jí団tuánなどといった、その重zhòng力lìの効xiaò果guŏにより光guāngの進jìn行xíngを曲qŭげる程chéng度dùの質zhí量liàng規guī模móのものをいう。恒héng星xīngや銀yín河héなどが発fāする光guāngの進jìn行xíngは、進jìn路lù上shàngにある天tiān体tĭなどの重zhòng力lì場chángの影yĭng響xiăngで曲qŭがるため、光guāng学xuéレンズに似sìた効xiaò果guŏが生shēngじる。

光guāng源yuánと観guān測cè者zhěの位weì置zhì関guān係xìおよび重zhòng力lì源yuánの規guī模móによっては、届jièいた光guāngの像xiàngが如rú実shíに変biàn形xíngする。ひとつの光guāng源yuánから届jièく光guāngが複fù数shùの像xiàngに分fēnかれたり、球qiú状zhuàngの天tiān体tĭが弓gōng状zhuàngに歪waīんで見jiànえる。その効xiaò果guŏを、英yīng語yŭでは "gravitational lensing" 、日rì本běn語yŭで「重zhòng力lìレンズ効xiaò果guŏ」と呼hūばれる。また、重zhòng力lìレンズによって生shēngじるリング状zhuàngの像xiàngは、特tèに "Einstein ring（アインシュタインリング、アインシュタインの環huán）" と呼hūばれる。

原yuán理lĭ

光guāngが曲qŭがることは一yī般bān相xiāng対duì性xìng理lĭ論lùnから導daŏかれる現xiàn象xiàngで、一yī般bān相xiāng対duì性xìng理lĭ論lùnの正zhèng当dāng性xìngを証zhèng明míngした現xiàn象xiàngのひとつである。光guāngは重zhòng力lìにひきつけられて曲qŭがるわけではなく、重zhòngい物wù体tĭによってゆがめられた時shí空kōngを進jìnむために曲qŭがる。対duì象xiàng物wùと観guān測cè者zhěの間jiānに大dàきい重zhòng力lì源yuánがあると、この現xiàn象xiàngにより光guāngが曲qŭがり、観guān測cè者zhěに複fù数shùの経jīng路lùを通tōngった光guāngが到daò達dáすることがある。これにより、同tóng一yīの対duì象xiàng物wùが複fù数shùの像xiàngとなって見jiànえる。光guāngが曲qŭがる状zhuàng態taìが光guāng学xuéレンズによる光guāngの屈qū折zhéと似sìているため重zhòng力lìレンズといわれる。

その効xiaò果guŏ（重zhòng力lìレンズ効xiaò果guŏ）の概gaì念niàn図túを右yoù列lièに示shìした。1つの銀yín河héから発fāせられた光guāng（白baíい矢shĭ印yìn）が、中zhōng央yāngにある重zhòngい天tiān体tĭの影yĭng響xiăngによって曲qŭげられ、それぞれ別biéの経jīng路lùで地dì球qiúへと届jièく。地dì球qiú上shàngの観guān測cè者zhěからは、あたかも2つの同tóngじ天tiān体tĭがあるように見jiànえる。オレンジ色sèの矢shĭ印yìnは見jiànかけの光guāngの経jīng路lùである。

なお、複fù数shùの像xiàngはそれぞれ別bié々の経jīng路lùを通tōngってきた光guāngであるため、一yī般bān的deに観guān測cè者zhě（地dì球qiú）までの到daò達dá時shí間jiānが異yìなる。そのため、それぞれの像xiàngの光guāngが対duì象xiàng物wùから出chūたのは異yìなる時shí刻kèである。

分fēn類leì

3つの種zhŏng類leìに分fēn類leìされる。

強qiángい重zhòng力lìレンズ（英yīng：strong lensing）

レンズ源yuánの影yĭng響xiăngが強qiángく、アインシュタインリング、弓gōng状zhuàngに変biàn形xíngした像xiàng (arc)、複fù数shùの像xiàngなど、光guāngの曲qŭげられる現xiàn象xiàngが明míngらかに観guān測cèされるもの。

弱ruòい重zhòng力lìレンズ（英yīng：weak lensing）

レンズ源yuánの影yĭng響xiăngが比bĭ較jiaò的de弱ruòく、多duōくの天tiān体tĭの光guāng線xiànデータを集jí計jìすることによって、統tŏng計jì的deにレンズ効xiaò果guŏと判pàn定dìngされる現xiàn象xiàng。宇yŭ宙zhoù初chū期qīの背beì景jĭngマイクロ波bōが地dì球qiúに届jièくまでに銀yín河hé形xíng成chéngによって揺yaóらぐ統tŏng計jìなどの研yán究jiūがなされている。

マイクロレンズ（英yīng：microlensing）

非feī常chángに小xiaŏさいレンズ源yuánのため、光guāngの曲qŭがりではなく、光guāngの明míngるさの時shí間jiān変biàn化huàによってレンズ現xiàn象xiàngだと推tuī定dìngされる現xiàn象xiàng。銀yín河hé内neìのダークハローを形xíng成chéngする小xiaŏ天tiān体tĭが、地dì球qiúから遠yuăn方fāngの天tiān体tĭとの視shì線xiàn方fāng向xiàngを横héng切qiēるときなどに発fā生shēngする例lìが知zhīられている。

歴lì史shĭ

最zuì初chūに重zhòng力lìレンズ効xiaò果guŏを論lùn文wénに発fā表biaŏしたのは、オレスト・ダニーロヴィッチ・フヴォリソン（露lù: Орест Данилович Хвольсон）であり、それは1924年niánのことであった。しかし、フヴォリソンの論lùn文wénはあまり注zhù意yìを引yĭnかなかった。そのため、1936年niánにアルベルト・アインシュタインが対duì象xiàng物wù、重zhòng力lì源yuán、観guān測cè者zhěが一yī直zhí線xiàn上shàngにならんだ場cháng合héにはリング状zhuàngの像xiàngが見jiànえると発fā表biaŏしたことによって、重zhòng力lìレンズ効xiaò果guŏは有yoŭ名míngになった。

このことから、リング状zhuàngに見jiànえるものを「アインシュタインリング」というが、最zuì初chūに指zhĭ摘zhaīしたのはフヴォリソンであるから、「フヴォリソンリング (Khvolson ring)」あるいは「フヴォリソン-アインシュタイン・リング (Khvolson-Einstein ring)」と呼hūぶべきとの議yì論lùnがある。

位weì置zhì関guān係xìが一yī直zhí線xiàn上shàngからズレたり、重zhòng力lì源yuánが無wú視shìできない大dàきさを持chíつと、それらの程chéng度dùにより弓gōng状zhuàngの像xiàngやゆがんだ複fù数shùの像xiàngが見jiànえる。弓gōng状zhuàngの像xiàngのものが「アインシュタインリング」と呼hūばれることも多duōい。

論lùn文wénの発fā表biaŏ当dāng初chū、アインシュタインは、対duì象xiàng物wù、重zhòng力lì源yuán、観guān測cè者zhěが一yī直zhí線xiàn上shàngにならぶ現xiàn象xiàngは発fā生shēngする可kě能néng性xìngが低dīいため観guān測cèは不bù可kě能néngだろうと考kaŏえていた。しかし、1979年niánの3月yuèに隣lín接jiēするクエーサー像xiàngのスペクトルがまったく同tóngじであることが発fā見jiànされ、8か月yuè後hoùには、これが銀yín河héを重zhòng力lì源yuánとする重zhòng力lìレンズによるものであることが分fēnった。このクエーサーQSO B0957+561は、その形xíngからツインクエーサーという固gù有yoŭ名míngをもつ。以yĭ降jiàng多duōくの例lìが発fā見jiànされ、2005年nián現xiàn在zaìで約yuē100の重zhòng力lìレンズによる多duō重zhòng像xiàngクェーサー系xìが報baò告gaòされている。

アインシュタインの発fā表biaŏの経jīng緯weĭ

アインシュタインが重zhòng力lìレンズ効xiaò果guŏを発fā表biaŏするまでの経jīng緯weĭで、風fēng変biànわりな逸yì話huàがある。

1936年niánの春chūnに、チェコの技jì術shù者zhěでアマチュア科kē学xué者zhěのルディ・マンドル (Rudi W. Mandl) が、米mĭ国guóワシントンの米mĭ国guó科kē学xuéアカデミーを訪făngねてきた。彼bĭは自zì分fēnが考kaŏえ出chūした重zhòng力lìレンズのアイディアを論lùn文wénにしたいと切qiē望wàngしていたのである。その熱rè心xīnな依yī頼laìと、拒jù否foŭするにはもったいないアイディアゆえに、木mùで鼻bíをくくったような返făn事shìもできず、彼bĭを持chíてあましたアカデミーの担dàn当dāng者zhěは、相xiāng対duì性xìng理lĭ論lùnにとってこれ以yĭ上shàngない権quán威weī者zhěのアインシュタインに頼laìむように言yánい、おまけにプリンストン高gaō等děng研yán究jiū所suŏまでの旅lw費feìまで渡dùしたのである。

1936年nián4月yuè17日rìにマンドルは、プリンストン高gaō等děng研yán究jiū所suŏにアインシュタインを訪făngねた。意yì外waìなことに、アインシュタインは珍zhēn客kèにとても親qīn切qiēでマンドルの話huàを熱rè心xīnに聞wénいてくれた。マンドルは自zì分fēnのアイディアを熱rèく語yŭり、大dà科kē学xué者zhěの説shuō得déに成chéng功gōngしたのであった。アインシュタインは、マンドルのアイディアを論lùn文wénにして学xué術shù雑zá誌zhì『サイエンス』1936年nián12月yuè4日rì発fā売maì号haòに投toú稿gaŏしたが、その論lùn文wén "Lens-like action of a star by the deviation of light in the gravitational field " の冒maò頭toúに次cìのように書shūいている。「しばらく前qiánに、ルディ・マンドルが訪făngねてきて、ちょっとした計jì算suàn結jié果guŏを出chū版bănして欲yùしいと私sīに依yī頼laìした。本běn稿gaŏは彼bĭの希xī望wàngに応yīngじたものである」

アインシュタインは、論lùn文wén発fā表biaŏ後hoù、『サイエンス』誌zhìの編biān集jí者zhěジェームズ・マッキーン・キャッテルに宛wănてた1936年nián12月yuè18日rì付fùの手shoŭ紙zhĭの中zhōngで、「あの論lùn文wénはマンドル氏shìをなだめるために書shūいたのです。マンドル氏shìが私sīに強qiángいたあの小xiaŏ論lùnを雑zá誌zhìに載zaìせていただいて感găn謝xièしています。ほとんど価jià値zhíのない論lùn文wénですが、あの可kě哀aī想xiăngな男nánは喜xĭんでいるでしょう」と書shūいている。

観guān測cèと利lì用yòng研yán究jiū

測cè定dìngに近jìn似sìを必bì要yaòとするX線xiàn観guān測cèによる質zhí量liàng測cè定dìngと異yìなり、重zhòng力lì源yuánの質zhí量liàngを直zhí接jiē光guāng学xué的de観guān測cèにより測cè定dìngすることができる点diănが特tè筆bĭすべき特tè徴zhēngである。

銀yín河hé団tuánによる重zhòng力lìレンズ効xiaò果guŏを観guān測cèすることで、銀yín河hé団tuán自zì体tĭの質zhí量liàngを測cè定dìngすることが可kě能néngである。この結jié果guŏとX線xiàn測cè定dìngによって見jiàn積jīられた質zhí量liàngを比bĭ較jiaòすると、明míngらかに差chaīがある。これは銀yín河hé団tuán周zhoū辺biānに分fēn布bùするダークマターによる質zhí量liàngが寄jì与yŭしているためと考kaŏえられ、すなわち重zhòng力lìレンズ効xiaò果guŏはダークマターの質zhí量liàng測cè定dìngに用yòngいることができる現xiàn象xiàngであると言yánえる。

2003年nián（平píng成chéng15年nián）12月yuè18日rìに東dōng京jīng大dà学xuéなどの研yán究jiūグループが、SDSS J1004+411にて、それまで知zhīられていた重zhòng力lìレンズよりも2倍beì以yĭ上shàng光guāngが曲qŭがる変biàn化huàを発fā見jiànした。

また、重zhòng力lìマイクロレンズを利lì用yòngした太taì陽yáng系xì外waì惑huò星xīngの探tàn索suŏを、PLAN、OGLE、MOA などのチームが行xíngっている。

2015年niánには、超chaō新xīn星xīngとしては初chūめて SN Refsdal が重zhòng力lìレンズによる多duō重zhòng像xiàngとして観guān測cèされた。重zhòng力lì分fēn布bùから今jīn後hoù別biéの場cháng所suŏで新xīnたな像xiàngが観guān測cèされることが期qī待daìされ、成chéng功gōngすれば超chaō新xīn星xīng爆baò発fāをその出chū現xiàn前qiánから観guān察cháできることになる。

2025年niánには、Abell 370の「ドラゴン」と呼hūばれる重zhòng力lìレンズにより引yĭnき延yánばされた65億yì光guāng年niánの銀yín河héから44個gèの恒héng星xīngが分fēn離líされ、その中zhōngに赤chì色sè超chaō巨jù星xīngが含hánまれることが千qiān葉xié大dà学xuéとアリゾナ州zhoū立lì大dà学xuéの合hé同tóngチームにより発fā表biaŏされた。

重zhòng力lìレンズ効xiaò果guŏの例lì

• ツインクエーサー - 1979年nián発fā見jiàn。史shĭ上shàng初chūめて発fā見jiànされた重zhòng力lìレンズ効xiaò果guŏの実shí例lì。
• アインシュタインの十shí字zì架jià - 1984年nián発fā見jiàn。中zhōng央yāngの銀yín河héによる重zhòng力lìでクエーサーが四sì重zhòngの像xiàngになっている天tiān体tĭ。
• SDSS J0946+1006 - 中zhōng央yāngの銀yín河héの重zhòng力lìで2個gèの銀yín河héが二èr重zhòngのアインシュタインリングを形xíng成chéngしている天tiān体tĭ。
• MOA-2007-BLG-192Lb - 2008年nián発fā見jiàn。重zhòng力lìマイクロレンズ効xiaò果guŏによって発fā見jiànされた太taì陽yáng系xì外waì惑huò星xīng。
• SDSS J103842.59+484917.72015年nián発fā見jiàn。重zhòng力lìレンズ効xiaò果guŏが生shēngみ出chūすアインシュタインリングが、楕tuŏ円yuán銀yín河héなどの絶jué妙miaòな配peì置zhìと相xiāngまって、観guān測cè地dì点diănから「チェシャ猫maōの顔yán」のように見jiànえる銀yín河hé団tuán。cf. チェシャ猫maō#銀yín河hé団tuán。

参cān考kaŏ文wén献xiàn

• 文wén部bù省shěng編biān、日rì本běn天tiān文wén学xué会huì編biān 編biān『学xué術shù用yòng語yŭ集jí 天tiān文wén学xué編biān』（増zēng訂dìng版băn）日rì本běn学xué術shù振zhèn興xīng会huì〈学xué術shù用yòng語yŭ集jí〉、1994年nián11月yuè15日rì。 

ISBN 4-8181-9404-2、ISBN 978-4-8181-9404-5、NCID BN11865382、OCLC 674907090、国guó立lì国guó会huì図tú書shū館guăn書shū誌zhìID:000003632032。

関guān連lián項xiàng目mù

• 重zhòng力lì
• レンズ
• ツインクエーサー

外waì部bùリンク

• コトバンク
  • 小xiaŏ学xué館guăn『デジタル大dà辞cí泉quán』. “重zhòng力lìレンズ”. 2020年nián11月yuè21日rì閲yuè覧lăn。
  • 平píng凡fán社shè『百baĭ科kē事shì典diănマイペディア』. “重zhòng力lìレンズ”. 2020年nián11月yuè21日rì閲yuè覧lăn。
  • 朝zhaō日rì新xīn聞wén出chū版băn『知zhī恵huì蔵cángmini』. “重zhòng力lìレンズ”. 2020年nián11月yuè21日rì閲yuè覧lăn。
  • 広guăng瀬laì立lì成chéng、小xiaŏ学xué館guăn『日rì本běn大dà百baĭ科kē全quán書shū（ニッポニカ）』. “重zhòng力lìレンズ”. 2020年nián11月yuè21日rì閲yuè覧lăn。
  • 『ブリタニカ国guó際jì大dà百baĭ科kē事shì典diăn 小xiaŏ項xiàng目mù事shì典diăn』. “重zhòng力lìレンズ効xiaò果guŏ”. 2020年nián11月yuè21日rì閲yuè覧lăn。
• 系xì外waì惑huò星xīngの大dà陸lùの形xíngまではっきり見jiànえる！NASAの太taì陽yáng重zhòng力lìレンズ計jì画huàがすごい(講jiăng談tán社shè「現xiàn代daì」，2020年nián12月yuè25日rì記jì事shì)