アインシュタインリング

アインシュタインリングは、アインシュタイン・チョルソンリングまたはチョルソンリング（オレスト・チョルソンにちなんで名付けられた）とも呼ばれ、銀河または恒星からの光が地球に向かう途中で巨大な物体を通過するときに生成されます。重力レンズ効果により、光は方向を変えられ、さまざまな場所から来ているように見えます。光源、レンズ、および観測者がすべて完全に一直線になっている場合（朔望）、光はリングとして表示されます。

重力レンズ効果は、アルバート・アインシュタインの一般相対性理論によって予測されています。^[1] 光源からの光は直線（3次元）で進むのではなく、巨大な物体の存在によって曲げられ、時空が歪められます。アインシュタインリングは、光源、レンズ、観測者が正確に一直線に並ぶことで生じる重力レンズ効果の特殊なケースです。これにより、レンズの周りに対称性が生じ、リング状の構造が生じます。^[2]

アインシュタインリングの大きさはアインシュタイン半径で表されます。ラジアンで表すと、

${\displaystyle \theta _{1}={\sqrt {{\frac {4GM}{c^{2}}}\;{\frac {D_{LS}}{D_{S}D_{L}}}}},}$

どこ

${\displaystyle G}$は重力定数であり、

${\displaystyle M}$レンズの質量は

${\displaystyle c}$光の速度は、

${\displaystyle D_{L}}$レンズまでの角直径距離、

${\displaystyle D_{S}}$は光源までの角直径距離であり、

${\displaystyle D_{LS}}$レンズと光源間の角直径距離である。 ^[3]

一般的に宇宙論的な距離を超える。 ${\displaystyle D_{LS}\neq D_{S}-D_{L}}$

重力体による光の屈折は、1916年に一般相対性理論が発表される数年前の1912年にアルバート・アインシュタインによって予言された（レン他1997年）。リング効果は、 1924年にオレスト・クヴォルソンが短い論文で初めて学術文献に言及したもので、その中で彼は光源、レンズ、観測者がほぼ完全に一直線上にあるときの重力の「ハロー効果」について言及した。^[5]アインシュタインは、1936年にチェコのエンジニアであるRWマンドルからの手紙に促された論文でこの効果について言及したが 、 ^[6]

もちろん、この現象を直接観測できる見込みはありません。第一に、このような中心線に十分近づくことはほとんど不可能です。第二に、角度 β は私たちの機器の分解能を超えてしまいます。

— サイエンス第84巻p506 1936

(この文では、β は上記の式で現在 で表されているアインシュタイン角です。) しかし、アインシュタインは、星によって生成されるアインシュタイン リングを観測する可能性が低いことのみを考慮していました。アインシュタイン リングの角度サイズはレンズの質量とともに増加するため、銀河やブラックホールなどのより大きなレンズによって生成されるアインシュタイン リングを観測する可能性は高くなります。 ${\displaystyle \theta _{1},}$

最初の完全なアインシュタインリングはB1938+666と名付けられ、 1998年にマンチェスター大学の天文学者とNASAのハッブル宇宙望遠鏡の共同研究によって発見されました。^[7]

星が他の星とアインシュタインリングを形成するという観測はこれまでなかったようですが、2028年5月初旬にアルファケンタウリAが地球と遠くの赤い星の間を通過するときに、これが起こる可能性は45％あります。^[8]

現在、数百の重力レンズが知られています。そのうち約半ダースは、直径が最大1 秒角の部分的なアインシュタイン リングですが、レンズの質量分布が完全に軸対称ではないか、光源、レンズ、観測者が完全に一直線になっていないため、完全なアインシュタイン リングはまだ見られません。ほとんどのリングは電波領域で発見されています。重力レンズを通して見た画像がアインシュタイン リングとして適格となるために必要な完全性の程度はまだ定義されていません。

最初のアインシュタインリングは、超大型干渉電波望遠鏡（VLL）を使用して電波源MG1131+0456を観測したヒューイットら（1988年）によって発見されました。この観測では、クエーサーが近くの銀河によってレンズ効果を受け、同じ物体の2つの別々でありながら非常によく似た像が作られ、その像はレンズの周りに引き伸ばされてほぼ完全なリングになりました。^[11]これらの二重像は、源、レンズ、観測者が完全に揃っていないことによるもう1つの可能性のある影響です。

発見された最初の完全なアインシュタインリングはB1938+666で、キングら（1998年）がMERLINで撮影された重力レンズをハッブル宇宙望遠鏡で光学的に追跡することで発見しました。^{[7] [12]} B1938+666のレンズの原因となっている銀河は古代の楕円銀河であり、レンズを通して見える画像は暗黒矮小 衛星銀河であり、現在の技術では見ることができません。^[13]

2005年、スローンデジタルスカイサーベイ（SDSS）とハッブル宇宙望遠鏡を組み合わせたスローンレンズACS（SLACS）サーベイで、19個の新しい重力レンズが発見され、そのうち8個にアインシュタインリングが見られました。^[14]これらは隣の画像に示されている8個です。2009年現在、このサーベイでは85個の重力レンズが確認されていますが、そのうち何個にアインシュタインリングが見られるかはまだわかっていません。^[15]このサーベイは、光学範囲での最近のアインシュタインリングの発見のほとんどを占めており、以下は発見された例の一部です。

• J0332-3557は、2005年にレミ・カバナックらによって発見され、^[16]その高い赤方偏移により初期宇宙の観測に利用することができることで知られています。
• 「宇宙の馬蹄形」は、非常に大きな明るい赤い銀河であるLRG 3-757の重力レンズを通して観測された部分的なアインシュタインリングです。2007年にV.ベロクロフらによって発見されました。^[17]
• SDSSJ0946+1006、「二重アインシュタインリング」は、2008年にラファエル・ガヴァッツィとトマソ・トリュー^{[18]によって発見されました。これは、同じ重力レンズを通して観測された複数のリングの存在で注目され、その重要性は次の}追加リングのセクションで説明されます。

もう一つの例は、 PKS 1830-211の周囲にある電波/X線アインシュタインリングで、電波が異常に強い。^[19]これは、チャンドラX線観測所のヴァルシャ・グプタらによってX線で発見された。^{[20]これは、ほぼ正面から衝突した}渦巻銀河によってクエーサーがレンズ効果を受けた最初の例であることでも注目に値する。^[21]

銀河MG1654+1346には電波リングが特徴的である。リング内の画像はクエーサーの電波ローブであり、1989年にG.ラングストンらによって発見された。^[22]

2023年6月、ジャスティン・スピルカー率いる天文学者チームは、有機分子（芳香族炭化水素）が豊富な遠方銀河のアインシュタインリングを発見したと発表した。^{[23] [24]}

ハッブル宇宙望遠鏡を使用して、STScIのラファエル・ガヴァッツィとカリフォルニア大学サンタバーバラ校のトマソ・トリューは二重リングを発見した。これは、30億光年、60億光年、110億光年の距離にある3つの銀河からの光から生じたものである。このようなリングは、暗黒物質、暗黒エネルギーの分布、遠方銀河の性質、宇宙の曲率を理解するのに役立つ。巨大な銀河の周囲にこのような二重リングが見つかる確率は10,000分の1である。適切な二重リングを50個サンプリングすることで、天文学者は宇宙の暗黒物質含有量と暗黒エネルギーの状態方程式を10パーセント以内の精度でより正確に測定できるだろう。^[25]

下のギャラリー セクションには、私たちと銀河の中心の間にある天の川平面のシュバルツシルト ブラックホールを拡大したシミュレーションがあります。最初のアインシュタイン リングは画像の中で最も歪んだ領域で、銀河の円盤を示しています。拡大すると、4 つの追加のリングのシリーズが現れ、だんだん薄くなり、ブラックホールの影に近づいています。これらは銀河の円盤の複数の画像です。1 つ目と 3 つ目は、ブラックホールの背後にある点 (観測者の位置から) に対応し、ここでは銀河の円盤の明るい黄色の領域 (銀河の中心に近い) に対応します。一方、2 つ目と 4 つ目は観測者の背後にあるオブジェクトの画像に対応し、ここでは銀河の円盤の対応する部分が薄く、したがって暗いため、より青く見えます。

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  SLACS によって観測されたアインシュタインリングの一部
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  SDSSJ0146-0929の周りの優美な弧はアインシュタインリングの例である
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  銀河の前を通過するブラックホールのシミュレーション画像
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  SDP.81 アインシュタインリングとレンズ銀河のモンタージュ
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  アインシュタインリングはブラックホールに接近

ウィキメディア・コモンズには、アインシュタインリングに関連するメディアがあります。

• アインシュタインクロス
• アインシュタイン半径
• SN レフスダル

• Kochanek, CS; Keeton, CR; McLeod, BA (2001). 「アインシュタインリングの重要性」.天体物理学ジャーナル. 547 (1): 50– 59. arXiv : astro-ph/0006116 . Bibcode :2001ApJ...547...50K. doi :10.1086/318350. S2CID  16122139.