重力じゅうりょくレンズ

重力じゅうりょくレンズ効果こうかの概念がいねん図ず

銀河ぎんが団だん Abell 1689によって作つくられた重力じゅうりょくレンズの効果こうか。遠方えんぽうの多数たすうの銀河ぎんがの像ぞうが円弧えんこ状じょうに引ひき伸のばされて見みえている。

一般いっぱん相対性理論そうたいせいりろん
$G_{\mu \nu }+\Lambda g_{\mu \nu }={\tfrac {8\pi G}{c^{4}}}T_{\mu \nu }$
アインシュタイン方程式ほうていしき
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重力じゅうりょくレンズ（じゅうりょくレンズ、英えい: gravitational lens ）とは、光源こうげんと観測かんそく者しゃの間あいだに分布ぶんぷする質量しつりょうであり、特とくに銀河ぎんが集団しゅうだんなどといった、その重力じゅうりょくの効果こうかにより光ひかりの進行しんこうを曲まげる程度ていどの質量しつりょう規模きぼのものをいう。恒星こうせいや銀河ぎんがなどが発はっする光ひかりの進行しんこうは、進路しんろ上じょうにある天体てんたいなどの重力じゅうりょく場ばの影響えいきょうで曲まがるため、光学こうがくレンズに似にた効果こうかが生しょうじる。

光源こうげんと観測かんそく者しゃの位置いち関係かんけいおよび重力じゅうりょく源げんの規模きぼによっては、届とどいた光ひかりの像ぞうが如実にょじつに変形へんけいする。ひとつの光源こうげんから届とどく光ひかりが複数ふくすうの像ぞうに分わかれたり、球状きゅうじょうの天体てんたいが弓ゆみ状じょうに歪いがんで見みえる。その効果こうかを、英語えいごでは "gravitational lensing" 、日本語にほんごで「重力じゅうりょくレンズ効果こうか」と呼よばれる。また、重力じゅうりょくレンズによって生しょうじるリング状じょうの像ぞうは、特とくに "Einstein ring（アインシュタインリング、アインシュタインの環たまき）" と呼よばれる。

原理げんり

光ひかりが曲まがることは一般いっぱん相対性理論そうたいせいりろんから導みちびかれる現象げんしょうで、一般いっぱん相対性理論そうたいせいりろんの正当せいとう性せいを証明しょうめいした現象げんしょうのひとつである。光ひかりは重力じゅうりょくにひきつけられて曲まがるわけではなく、重おもい物体ぶったいによってゆがめられた時空じくうを進すすむために曲まがる。対象たいしょう物ぶつと観測かんそく者しゃの間あいだに大おおきい重力じゅうりょく源げんがあると、この現象げんしょうにより光ひかりが曲まがり、観測かんそく者しゃに複数ふくすうの経路けいろを通とおった光ひかりが到達とうたつすることがある。これにより、同一どういつの対象たいしょう物ぶつが複数ふくすうの像ぞうとなって見みえる。光ひかりが曲まがる状態じょうたいが光学こうがくレンズによる光ひかりの屈折くっせつと似にているため重力じゅうりょくレンズといわれる。

その効果こうか（重力じゅうりょくレンズ効果こうか）の概念がいねん図ずを右みぎ列れつに示しめした。1つの銀河ぎんがから発はっせられた光ひかり（白しろい矢印やじるし）が、中央ちゅうおうにある重おもい天体てんたいの影響えいきょうによって曲まげられ、それぞれ別べつの経路けいろで地球ちきゅうへと届とどく。地球ちきゅう上じょうの観測かんそく者しゃからは、あたかも2つの同おなじ天体てんたいがあるように見みえる。オレンジ色しょくの矢印やじるしは見みかけの光ひかりの経路けいろである。

なお、複数ふくすうの像ぞうはそれぞれ別々べつべつの経路けいろを通とおってきた光ひかりであるため、一般いっぱん的てきに観測かんそく者しゃ（地球ちきゅう）までの到達とうたつ時間じかんが異ことなる。そのため、それぞれの像ぞうの光ひかりが対象たいしょう物ぶつから出でたのは異ことなる時刻じこくである。

分類ぶんるい

3つの種類しゅるいに分類ぶんるいされる。

強つよい重力じゅうりょくレンズ（英えい：strong lensing）

レンズ源げんの影響えいきょうが強つよく、アインシュタインリング、弓ゆみ状じょうに変形へんけいした像ぞう (arc)、複数ふくすうの像ぞうなど、光ひかりの曲まげられる現象げんしょうが明あきらかに観測かんそくされるもの。

弱よわい重力じゅうりょくレンズ（英えい：weak lensing）

レンズ源げんの影響えいきょうが比較的ひかくてき弱よわく、多おおくの天体てんたいの光線こうせんデータを集計しゅうけいすることによって、統計とうけい的てきにレンズ効果こうかと判定はんていされる現象げんしょう。宇宙うちゅう初期しょきの背景はいけいマイクロ波はが地球ちきゅうに届とどくまでに銀河ぎんが形成けいせいによって揺ゆらぐ統計とうけいなどの研究けんきゅうがなされている。

マイクロレンズ（英えい：microlensing）

非常ひじょうに小ちいさいレンズ源げんのため、光ひかりの曲まがりではなく、光ひかりの明あかるさの時間じかん変化へんかによってレンズ現象げんしょうだと推定すいていされる現象げんしょう。銀河ぎんが内ないのダークハローを形成けいせいする小しょう天体てんたいが、地球ちきゅうから遠方えんぽうの天体てんたいとの視線しせん方向ほうこうを横切よこぎるときなどに発生はっせいする例れいが知しられている。

歴史れきし

最初さいしょに重力じゅうりょくレンズ効果こうかを論文ろんぶんに発表はっぴょうしたのは、オレスト・ダニーロヴィッチ・フヴォリソン（露ろ: Орест Данилович Хвольсон）であり、それは1924年ねんのことであった。しかし、フヴォリソンの論文ろんぶんはあまり注意ちゅういを引ひかなかった。そのため、1936年ねんにアルベルト・アインシュタインが対象たいしょう物ぶつ、重力じゅうりょく源げん、観測かんそく者しゃが一直線いっちょくせん上じょうにならんだ場合ばあいにはリング状じょうの像ぞうが見みえると発表はっぴょうしたことによって、重力じゅうりょくレンズ効果こうかは有名ゆうめいになった。

このことから、リング状じょうに見みえるものを「アインシュタインリング」というが、最初さいしょに指摘してき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)」と呼よぶべきとの議論ぎろんがある。

位置いち関係かんけいが一直線いっちょくせん上じょうからズレたり、重力じゅうりょく源げんが無視むしできない大おおきさを持もつと、それらの程度ていどにより弓ゆみ状じょうの像ぞうやゆがんだ複数ふくすうの像ぞうが見みえる。弓ゆみ状じょうの像ぞうのものが「アインシュタインリング」と呼よばれることも多おおい。

論文ろんぶんの発表はっぴょう当初とうしょ、アインシュタインは、対象たいしょう物ぶつ、重力じゅうりょく源げん、観測かんそく者しゃが一直線いっちょくせん上じょうにならぶ現象げんしょうは発生はっせいする可能かのう性せいが低ひくいため観測かんそくは不可能ふかのうだろうと考かんがえていた。しかし、1979年ねんの3月がつに隣接りんせつするクエーサー像ぞうのスペクトルがまったく同おなじであることが発見はっけんされ、8か月げつ後ごには、これが銀河ぎんがを重力じゅうりょく源げんとする重力じゅうりょくレンズによるものであることが分わかった。このクエーサーQSO B0957+561は、その形かたちからツインクエーサーという固有こゆう名めいをもつ。以降いこう多おおくの例れいが発見はっけんされ、2005年ねん現在げんざいで約やく100の重力じゅうりょくレンズによる多重たじゅう像ぞうクェーサー系けいが報告ほうこくされている。

アインシュタインの発表はっぴょうの経緯けいい

アインシュタインが重力じゅうりょくレンズ効果こうかを発表はっぴょうするまでの経緯けいいで、風変ふうがわりな逸話いつわがある。

1936年ねんの春はるに、チェコの技術ぎじゅつ者しゃでアマチュア科学かがく者しゃのルディ・マンドル (Rudi W. Mandl) が、米国べいこくワシントンの米国べいこく科学かがくアカデミーを訪たずねてきた。彼かれは自分じぶんが考かんがえ出だした重力じゅうりょくレンズのアイディアを論文ろんぶんにしたいと切望せつぼうしていたのである。その熱心ねっしんな依頼いらいと、拒否きょひするにはもったいないアイディアゆえに、木きで鼻はなをくくったような返事へんじもできず、彼かれを持もてあましたアカデミーの担当たんとう者しゃは、相対性理論そうたいせいりろんにとってこれ以上いじょうない権威けんい者しゃのアインシュタインに頼たのむように言いい、おまけにプリンストン高等こうとう研究所けんきゅうじょまでの旅費りょひまで渡わたしたのである。

1936年ねん4月がつ17日にちにマンドルは、プリンストン高等こうとう研究所けんきゅうじょにアインシュタインを訪たずねた。意外いがいなことに、アインシュタインは珍客ちんきゃくにとても親切しんせつでマンドルの話はなしを熱心ねっしんに聞きいてくれた。マンドルは自分じぶんのアイディアを熱あつく語かたり、大だい科学かがく者しゃの説得せっとくに成功せいこうしたのであった。アインシュタインは、マンドルのアイディアを論文ろんぶんにして学術がくじゅつ雑誌ざっし『サイエンス』1936年ねん12月4日にち発売はつばい号ごうに投稿とうこうしたが、その論文ろんぶん "Lens-like action of a star by the deviation of light in the gravitational field " の冒頭ぼうとうに次つぎのように書かいている。「しばらく前まえに、ルディ・マンドルが訪たずねてきて、ちょっとした計算けいさん結果けっかを出版しゅっぱんして欲ほしいと私わたしに依頼いらいした。本稿ほんこうは彼かれの希望きぼうに応おうじたものである」

アインシュタインは、論文ろんぶん発表はっぴょう後ご、『サイエンス』誌しの編集へんしゅう者しゃジェームズ・マッキーン・キャッテルに宛あてた1936年ねん12月18日にち付づけの手紙てがみの中なかで、「あの論文ろんぶんはマンドル氏しをなだめるために書かいたのです。マンドル氏しが私わたしに強しいたあの小しょう論ろんを雑誌ざっしに載のせていただいて感謝かんしゃしています。ほとんど価値かちのない論文ろんぶんですが、あの可哀想かわいそうな男おとこは喜よろこんでいるでしょう」と書かいている。

観測かんそくと利用りよう研究けんきゅう

測定そくていに近似きんじを必要ひつようとするX線せん観測かんそくによる質量しつりょう測定そくていと異ことなり、重力じゅうりょく源げんの質量しつりょうを直接ちょくせつ光学こうがく的てき観測かんそくにより測定そくていすることができる点てんが特筆とくひつすべき特徴とくちょうである。

銀河ぎんが団だんによる重力じゅうりょくレンズ効果こうかを観測かんそくすることで、銀河ぎんが団だん自体じたいの質量しつりょうを測定そくていすることが可能かのうである。この結果けっかとX線せん測定そくていによって見積みつもられた質量しつりょうを比較ひかくすると、明あきらかに差さがある。これは銀河ぎんが団だん周辺しゅうへんに分布ぶんぷするダークマターによる質量しつりょうが寄与きよしているためと考かんがえられ、すなわち重力じゅうりょくレンズ効果こうかはダークマターの質量しつりょう測定そくていに用もちいることができる現象げんしょうであると言いえる。

2003年ねん（平成へいせい15年ねん）12月18日にちに東京大学とうきょうだいがくなどの研究けんきゅうグループが、SDSS J1004+411にて、それまで知しられていた重力じゅうりょくレンズよりも2倍ばい以上いじょう光ひかりが曲まがる変化へんかを発見はっけんした。

また、重力じゅうりょくマイクロレンズを利用りようした太陽系たいようけい外がい惑星わくせいの探索たんさくを、PLAN、OGLE、MOA などのチームが行おこなっている。

2015年ねんには、超新星ちょうしんせいとしては初はじめて SN Refsdal が重力じゅうりょくレンズによる多重たじゅう像ぞうとして観測かんそくされた。重力じゅうりょく分布ぶんぷから今後こんご別べつの場所ばしょで新あらたな像ぞうが観測かんそくされることが期待きたいされ、成功せいこうすれば超新星ちょうしんせい爆発ばくはつをその出現しゅつげん前まえから観察かんさつできることになる。

重力じゅうりょくレンズ効果こうかの例れい

• ツインクエーサー - 1979年ねん発見はっけん。史上しじょう初はじめて発見はっけんされた重力じゅうりょくレンズ効果こうかの実例じつれい。
• アインシュタインの十字架じゅうじか - 1984年ねん発見はっけん。中央ちゅうおうの銀河ぎんがによる重力じゅうりょくでクエーサーが四よん重じゅうの像ぞうになっている天体てんたい。
• SDSS J0946+1006 - 中央ちゅうおうの銀河ぎんがの重力じゅうりょくで2個この銀河ぎんがが二に重じゅうのアインシュタインリングを形成けいせいしている天体てんたい。
• MOA-2007-BLG-192Lb - 2008年ねん発見はっけん。重力じゅうりょくマイクロレンズ効果こうかによって発見はっけんされた太陽系たいようけい外がい惑星わくせい。
• SDSS J103842.59+484917.72015年ねん発見はっけん。重力じゅうりょくレンズ効果こうかが生うみ出だすアインシュタインリングが、楕円だえん銀河ぎんがなどの絶妙ぜつみょうな配置はいちと相あいまって、観測かんそく地点ちてんから「チェシャ猫ねこの顔かお」のように見みえる銀河ぎんが団だん。cf. チェシャ猫ねこ#銀河ぎんが団だん。

参考さんこう文献ぶんけん

• 文部省もんぶしょう編へん、日本にっぽん天文てんもん学会がっかい編へん 編へん『学術がくじゅつ用語ようご集しゅう 天文学てんもんがく編へん』（増ぞう訂てい版ばん）日本にっぽん学術がくじゅつ振興しんこう会かい〈学術がくじゅつ用語ようご集しゅう〉、1994年ねん11月15日にち。 

ISBN 4-8181-9404-2、ISBN 978-4-8181-9404-5、NCID BN11865382、OCLC 674907090、国立こくりつ国会図書館こっかいとしょかん書誌しょしID:000003632032。

関連かんれん項目こうもく

• 重力じゅうりょく
• レンズ
• ツインクエーサー

外部がいぶリンク

• コトバンク
  • 小学館しょうがくかん『デジタル大辞泉だいじせん』. “重力じゅうりょくレンズ”. 2020年ねん11月21日にち閲覧えつらん。
  • 平凡社へいぼんしゃ『百科ひゃっか事典じてんマイペディア』. “重力じゅうりょくレンズ”. 2020年ねん11月21日にち閲覧えつらん。
  • 朝日新聞あさひしんぶん出版しゅっぱん『知恵ちえ蔵ぞうmini』. “重力じゅうりょくレンズ”. 2020年ねん11月21日にち閲覧えつらん。
  • 広瀬ひろせ立たて成なり、小学しょうがく館かん『日本にっぽん大だい百科全書ひゃっかぜんしょ（ニッポニカ）』. “重力じゅうりょくレンズ”. 2020年ねん11月21日にち閲覧えつらん。
  • 『ブリタニカ国際こくさい大だい百科ひゃっか事典じてん 小しょう項目こうもく事典じてん』. “重力じゅうりょくレンズ効果こうか”. 2020年ねん11月21日にち閲覧えつらん。
• 系けい外がい惑星わくせいの大陸たいりくの形かたちまではっきり見みえる！NASAの太陽たいよう重力じゅうりょくレンズ計画けいかくがすごい(講談社こうだんしゃ「現代げんだい」，2020年ねん12月25日にち記事きじ)