200億光年先の銀河が重力レンズで4重に見える「アインシュタインの十字架」が発見される

銀河の重力によって光がねじ曲げられ、同じ天体が複数に分裂して見える現象「重力レンズ」の新たな実例が発見されました。重力レンズが発生した際の見え方にはさまざまなパターンがありますが、今回発見されたものは上下左右の4つに分かれているパターンで「アインシュタインの十字架」と呼ばれるものです。

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

A new Einstein cross is discovered
https://phys.org/news/2019-03-einstein.html

一般相対性理論では、時空は重い物体から発生する重力によってゆがみ、そのゆがんだ時空に沿って光が曲がって進むと述べられています。従って、観測者と観測対象との間に別の天体があった場合には中央の天体が凸レンズの役割を果たし、見かけ上では観測対象が分裂して見えることとなります。これが「重力レンズ効果」です。下の画像では実際に光が通った経路が白い矢印で示されており、見かけ上の経路がオレンジの矢印で示されています。

重力レンズ効果によって天体が分裂して見える場合、その分裂した天体同士の距離は非常に小さくなっているため、重力レンズ効果が起きていることを見つけるのは困難です。さらに、一見重力レンズ効果が発生しているような天体を発見したとしても、それが本当に同一の天体から発せられた光なのかを確かめる必要があります。

イタリアの科学者チームはハッブル宇宙望遠鏡の高解像度画像で発見された4つの光のうち、3つの光をスペクトルに分解することに成功し、イオン化された水素による輝線が同じ波長で表れている事を確認しました。同じ波長に同じ輝線があることは光が同じ物体から来ていることを示しており、このことから重力レンズ効果が働いていることが分かります。

重力レンズによって天体の像が分裂して十字架に見える「アインシュタインの十字架」は、これまでたった1例しか報告されていませんでした。今回で2例目となる新しい「アインシュタインの十字架」は、銀河座標に従って「J2211-0350」と命名されました。また、重力レンズの役割を果たす天体はおよそ70億光年先にある楕円銀河で、光源は少なくとも200億光年離れた別の銀河だったことが判明。論文著者のDaniela Bettoni氏によると、重力レンズ効果の光源となる天体はクエーサーである場合がほとんどであり、銀河が光源となることは非常に珍しいそうです。

重力レンズ効果が働いている天体が発見されると、元は同じ光だったものが微妙に異なるものとなって表れるため、その違いを分析することで光がたどった経路にどのような物質があったのかを知ることができます。また、通常のガラスのレンズのように光を一点に集めるのでより弱い光を観測できるなど天文学の進歩が期待されます。